機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇及應(yīng)用研究

石磊

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)中，工藝、工序很重要，原材料的優(yōu)選一樣重要，畢竟機(jī)械是由材料組成的，機(jī)械性能發(fā)揮程度也和材料性能、質(zhì)量有關(guān)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)使用一些稀少材料，這些原材料數(shù)量有限，一旦缺乏，機(jī)械設(shè)計(jì)將無(wú)法進(jìn)行下去，所以還要多研究一些可代替可再生的原材料，另外原材料要具有適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，使材料可以應(yīng)用在各種機(jī)械中。材料在應(yīng)用中，還要注意材料本身的環(huán)保性，使設(shè)計(jì)好的機(jī)械在運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；材料；選擇；應(yīng)用；

材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)工作，相關(guān)人員要遵循一定的原則來(lái)選擇各種性質(zhì)的材料，在選擇和應(yīng)用中，還要著重關(guān)注一些小細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如材料的節(jié)能環(huán)保要求之間是否協(xié)調(diào)統(tǒng)一，適用性與經(jīng)濟(jì)性之間是否統(tǒng)一等。本文主要針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇及應(yīng)用進(jìn)行研究。

一.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇

1、對(duì)材料載荷種類進(jìn)行選擇

機(jī)械內(nèi)部許多零部件在組成機(jī)械整體的同時(shí)，還要承擔(dān)來(lái)自外界或內(nèi)部環(huán)境帶來(lái)的荷載，只有這些零件具有一定的承載能力，零件在負(fù)荷運(yùn)行中，才不會(huì)隨意報(bào)廢，或在短時(shí)間內(nèi)過(guò)度疲勞，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械設(shè)備都無(wú)法工作[1]。這些荷載并不能被零件性能所抵消。在實(shí)際中，外荷載存在是必然的，外荷載存在對(duì)機(jī)械造成的變形等后果也是必然要發(fā)生的，要使機(jī)械保持穩(wěn)定，還要在選擇材料時(shí)，注意使材料總力與荷載水平成為選擇標(biāo)準(zhǔn)。使前者能對(duì)后者起到抵消作用，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)選擇材料加工方式來(lái)使材料表面總體性能提升，這樣的加工方式有碳鋼調(diào)質(zhì)以及低碳鋼滲碳。相關(guān)人員還要注意選擇各方面性能比較均勻的材料，使荷載影響能在零部件截面處實(shí)現(xiàn)合理抵消，這種零部件發(fā)生拉伸、壓縮等作用時(shí)，材料也不易變形報(bào)廢。

2、選擇表面處理技術(shù)合理的金屬材料

一些機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境很惡劣，長(zhǎng)期工作，會(huì)使機(jī)械設(shè)備表面不再保持光滑，在磨損和腐蝕中，材料表面也不能完好無(wú)損，所以還要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，就對(duì)材料表面進(jìn)行硬化處理設(shè)計(jì)。滲碳技術(shù)和淡化技術(shù)是常見的金屬材料表面硬化技術(shù)，前者將滲碳爐作為處理環(huán)境，先對(duì)鋼材的含碳量進(jìn)行測(cè)量，該數(shù)值應(yīng)該是小的，對(duì)其進(jìn)行碳增加操作，碳含量升高到一定數(shù)值后，使其處于淬火環(huán)境中，在該環(huán)境中，材料表面的硬度會(huì)慢慢增大，但組織結(jié)構(gòu)還是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，材料本身還會(huì)存在一定應(yīng)力，影響材料的穩(wěn)定性，所以還要將其取出，放入低溫環(huán)境中，對(duì)其進(jìn)行回火，材料本身的耐磨性和耐腐蝕性最終會(huì)符合設(shè)計(jì)要求。零部件進(jìn)行表面處理時(shí)，經(jīng)常會(huì)借助滲碳鋼來(lái)硬化表面，滲碳鋼材料數(shù)量的選擇要與零部件規(guī)模等相適應(yīng)，要提高滲碳技術(shù)的利用效率，使最少的材料達(dá)到最好的表面硬化處理效果[2]。零件截面面積和重量不同，選擇的滲碳鋼型號(hào)也不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，還要參考具體的情況。滲碳鋼在零部件表面滲入的深度是不同的，可根據(jù)零部件在實(shí)際中的應(yīng)用情況來(lái)設(shè)計(jì)深度。如果要在短時(shí)間內(nèi)使用該零部件，還要注意使?jié)B碳深度小一些，如此在短時(shí)間內(nèi)，滲碳時(shí)間也可以得到保證。

3、對(duì)碳素鋼和合金鋼材料的選擇

碳素鋼易被加工成各種形狀，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)選擇該材料，這說(shuō)明碳素鋼的優(yōu)勢(shì)還是要多于劣勢(shì)的，但在具體的應(yīng)用中，這些劣勢(shì)還應(yīng)得到解決。碳素鋼的劣勢(shì)是強(qiáng)度小，韌性差，這意味著將碳素鋼制作成機(jī)械零部件，對(duì)其進(jìn)行淬透操作，體積比較大的碳素鋼零件淬透效果差，在承載一定的外部荷載后，本身容易發(fā)生折斷問(wèn)題。在材料應(yīng)用中，經(jīng)常采用在碳素鋼中添加合金元素的方式來(lái)彌補(bǔ)碳素鋼的缺陷，合金元素本身結(jié)構(gòu)要比碳素鋼穩(wěn)定，在強(qiáng)度和韌性上也比較強(qiáng)，以綜合性比較強(qiáng)的合金鋼代替單一的碳素鋼，零件老化現(xiàn)象會(huì)延遲，材料被磨損的程度也不會(huì)太嚴(yán)重。合金元素性能優(yōu)勢(shì)很多，在一定范圍內(nèi)，合金鋼性能發(fā)揮程度與合金元素量是呈正比的，這些性能加持，使得零件在高溫腐蝕性環(huán)境中也能正常工作。合金鋼應(yīng)用范圍雖然受到限制，但應(yīng)用性強(qiáng)，及時(shí)將這種材料制成的零件置于多荷載環(huán)境中，零件也不會(huì)老化[3]。合金鋼對(duì)淬火工藝的適用性很好，操作人員在對(duì)淬火工藝掌握程度不好時(shí)，或機(jī)械零件容易變形時(shí)，也會(huì)使用這種材料。在這種做法中，零件材料的應(yīng)用效率會(huì)高一些，這就避免了其他材料的浪費(fèi)，零件的質(zhì)量也可以得到保證。

4、選擇無(wú)污染材料

在機(jī)械制作中，有些材料屬于污染性材料，有的是在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生對(duì)環(huán)境對(duì)人體有害的物質(zhì)，有的則是生產(chǎn)完畢，在成品應(yīng)用中釋放污染。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員就應(yīng)選擇無(wú)污染，對(duì)人體無(wú)害的材料。比如一些合金元素中，會(huì)存在很多六價(jià)鉻離子等，這些都會(huì)對(duì)人體造成危害，這些合金元素應(yīng)被篩選出去。即使在組裝機(jī)械時(shí)，出現(xiàn)這些材料，也不應(yīng)使用，要做好妥善處理，不能隨意填埋處理，畢竟很多元素具有溶水性，做好妥善處理，人體安全和環(huán)境才不會(huì)受到威脅。

5、選擇可重復(fù)利用材料

機(jī)械有時(shí)報(bào)廢后，有些零部件材料還可以應(yīng)用，在其他的材料選擇時(shí)，也會(huì)遇到一些二次材料，這些材料雖然是回收利用，但在質(zhì)量和性能上還未到達(dá)使用期限，所以相關(guān)人員要做好處理，使這些二次可利用材料應(yīng)用到最合適的設(shè)計(jì)中，使金屬材料最大程度實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[4]。將回收的金屬材料中組員最少的合金材料作為設(shè)計(jì)選擇材料，這種材料無(wú)論在維持生態(tài)環(huán)境平衡上還是在零件性能提升上都有幫助，相關(guān)人員要做好安排。

二.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用

1、經(jīng)濟(jì)與適用性相一致

選擇合適的材料后，還要注意使材料應(yīng)用合理，這種合理性可以表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)適用性相一致，體現(xiàn)出材料最大的性價(jià)比，如此零件制造商不僅可以節(jié)約成本，減少對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)，還可以增加收益，保證零件質(zhì)量和機(jī)械質(zhì)量，與此同時(shí)，零件還能與整個(gè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況相適應(yīng)。材料應(yīng)用中，主要對(duì)加工工藝進(jìn)行高要求，使零件在各方面都符合標(biāo)準(zhǔn)。所以材料的熱處理、焊接、切削加工等過(guò)程都要接受監(jiān)督，并且材料在每個(gè)工藝過(guò)程中，都要展現(xiàn)出良好的性能，比如在熱處理過(guò)程中，材料要表現(xiàn)出流動(dòng)性和耐溫性、淬透性，在焊接過(guò)程中，材料要保持沖壓性和冷鐓性。在切削過(guò)程中，還要注意材料本身的硬度要合格。在材料制作成零件的過(guò)程中，要注意對(duì)材料的使用量進(jìn)行控制，使其在符合標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)符合成本節(jié)約理念。此外機(jī)械材料應(yīng)用的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)和機(jī)械生產(chǎn)總過(guò)程結(jié)合起來(lái)，使工藝路線都合格。

2、節(jié)能與環(huán)保性相一致

機(jī)械材料的節(jié)能與環(huán)保性本身就是協(xié)調(diào)相統(tǒng)一的，相關(guān)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意材料的這一統(tǒng)一性[5]。畢竟生產(chǎn)原材料并不是用之不盡，取之不竭的，相關(guān)人員還要對(duì)一些珍稀材料的復(fù)制品和可代替品進(jìn)行研究，在材料制作加工的過(guò)程中，相關(guān)人員還應(yīng)注意生產(chǎn)環(huán)節(jié)不會(huì)消耗太多的電能或其他能源，原材料消耗也要有限，同時(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)也應(yīng)對(duì)環(huán)境保持無(wú)污染性。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料種類繁多，材料性質(zhì)和性能也多有不同，相關(guān)人員要按照擇優(yōu)原則選擇材料，在遇到缺陷性材料時(shí)，還應(yīng)采取各種技術(shù)做好改善工作。材料在應(yīng)用時(shí)，要使材料符合經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保、節(jié)能原則。如此機(jī)械材料應(yīng)用才會(huì)與現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念相符合。

參考文獻(xiàn)：

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