機械設計中材料的選擇和應用研究

覃韋杰

摘 要：本文闡述了機械設計中常用材料的主要性能，詳細分析了機械設計過程中材料選擇的原則，為提高機械產品零部件的使用性能，使用壽命，降低機械產品的制造成本提供參考。

關鍵詞：機械設計；常用材料；選擇；研究

0引言

隨著機械制造業的不斷發展，工業化及信息化的不斷融合，各種專用的自動化生產線代替了大量勞動力，生產制造業逐漸往自動化化、智能化方向發展，各種非標機、電、液一體化設備廣泛的應用在各行業生產線，機械產品的設計量不斷增多，設計要求不斷提高。機械產品零部件的使用性能及使用壽命直接關系到企業的生產效率及生產成本。據統計，新機械產品大多數故障都是因為材料選取不合適造成的，因此，機械材料的選擇是機械設計的關鍵步驟。材料選取的科學性直接關系到機械產品的使用性能、生產成本及穩定性，同時不能造成環境污染及人體傷害，是機械設計過程中需要關注的重要內容。

1 機械設計常用材料

1.1金屬材料

機械行業常用材料包括金屬材料（鑄鐵、鋼、銅合金）與非金屬材料（陶瓷材料、高分子材料及復合材料等）。材料選取前應充分了解各種材料的成分及使用性能。

1.2非金屬材料

常用的非金屬材料進性能如表1所示

表1常用非金屬材料及性能

3 選用材料的一般原則

機械設計過程中，材料的選擇與其使用性能及使用壽命有直接關系，零部件材料選擇時要充分考慮以下幾個方面。

3.1 材料的工況特點

零部件在特定的工況下能達到的功能及壽命是選材的關鍵，選材時應充分考慮材料的力學性能、物理性能和化學性能等指標。

3.1.1零件受載情況

①脆性材料受力變形較小，適用于靜載情況下，對于載荷波動較大情況，應采用塑性材料。

② 對于接觸應力較高的零部件，為了避免材料表面發生過大的變形，應選用硬度較高且表面可強化處理的材料。

③對于零件尺寸和重量有限制的場合，適合選用高強度及高彈性模量的材料。

3.1.2零件工作環境

①零部件工作在溫度較大或有腐蝕性的環境中，選用的材料應具備防銹或防腐蝕性能。

②零件在高溫工況條件下使用時，選用耐熱材料。

③摩擦力可作為阻力也可作為動力，當盡量避免摩擦力時，需要選用減摩性能好的材料。需要提高摩擦力時，需要選用摩擦系數大的材料，例如，輪胎。

3.1.3零件失效形式

①連接螺栓等零部件，一般承受拉力和剪力，主要失效形式是變形和斷裂，選用的材料要考慮強度及塑性。

②傳動軸類零件，承受彎矩與扭矩的作用，載荷周期波動，零件多在截面突變的位置發生疲勞破壞，這類零部件需要具有較好的綜合機械性能。

③齒輪類零部件，承受周期性的彎矩及壓力作用，失效的主要形式是磨損、疲勞點蝕、輪齒折斷等，齒輪類材料需要基體具有較高強度及韌性，表面經過熱處理得到較高的硬度及疲勞極限。

3.2材料的工藝性能

零件選材應結合現有的加工設備，盡量降低加工復雜程度，降低加工成本，提高成品率。

⑴鑄造性能

鑄件在機械設備零部件的占比較大，鑄鋼件、鑄鐵件品種較多，形狀復雜，材料的鑄造性能（流動性、收縮性、偏析性等）及零部件的形狀直接關系著鑄件的鑄造質量及強度

⑵鍛造性能

材料的可塑性及變形抗力反應材料的鍛造性能。材料的含碳量越高，基材硬度越高，毛坯可鍛性越差，低碳鋼可鍛性能優于中碳鋼及高碳鋼，低合金鋼與中碳鋼的可鍛性類似，鋁合金基本上很少應用于鍛造加工，銅合金可鍛性良好。

⑶焊接性能

焊縫組織成份、焊接質量、焊接應力、焊接缺陷及焊縫強度是焊接件質量的重要衡量指標，碳及合金元素含量越高，材料的焊接性能越差，焊接件的選材應充分考慮焊接性能。焊接性能較好的材料是低碳鋼和含碳量0.18%以下的合金鋼，中碳鋼、高碳鋼及含碳量高于0.35%的合金鋼焊接性能較差，焊接時需要預熱處理，銅合金和鋁合金很少作為焊接件使用；灰口鑄鐵不能焊接。

⑷切削加工性能

材料的切削性能一般通過刀具耐用度、切削力大小、切削溫度高低、面粗糙度、加工硬化、殘余應力、斷屑性能進行衡量，鋁、鎂合金硬度較低，非常容易切削加工，易切削鋼、切削加工工藝性較好，45鋼、灰口鑄鐵、85 鋼（ 軋材） 、2Cr13 鋼調質切削加工性能一般。1Cr18Ni9Ti、W18Cr4V 鋼、65Mn鋼調質、不銹鋼、耐熱合金、鈷合金難切削加工。

⑸熱處理性能

金屬零部件很少直接使用基材的本身性能，大多需要經過熱處理提高表面強度、硬度、耐磨性或疲勞強度。金屬材料的淬透性、開裂傾向、熱敏感性、抗氧化性、脫碳傾向、回火脆性及變形等因素決定熱處理后的產品質量。

4.結論

零部件的選材與機械產品的使用性能與壽命有直接關系，選材過程中應充分考慮零部件的工況特點及加工工藝性能。同時，考慮材料的經濟型，控制產品的制造成本。另外，零部件的選材還要考慮對環境的影響及新材料的選用。提高機械設計過程選材的正確性，兼顧經濟及環保性。

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