淺析有色金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用

黃建明，陳 俐

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上的用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料已達(dá)40多萬(wàn)種，并且以每年約5%的速度增加。各種材料的性能不同，用途也不相同，只有掌握和了解材料的分類、牌號(hào)、性能、應(yīng)用范圍等相關(guān)知識(shí)，才能在機(jī)械設(shè)計(jì)中正確的選擇和使用好材料[1]。

1 材料的分類

（1）黑色金屬材料。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，也就是鋼和鑄鐵材料。目前鋼和鑄鐵的應(yīng)用最廣，產(chǎn)量和用量也最大。鋼和鑄鐵都是以鐵和碳兩種元素為主所組成的鐵碳合金。

表1 常用有色金屬材料的牌號(hào)及用途

白銅 銅鎳合金 主要用于制造精密儀器、儀表中耐蝕零件及電阻器、熱電偶等。錫基軸承合金ZSnSbllCu6等在汽車、拖拉機(jī)、汽輪機(jī)等機(jī)械的高速軸上應(yīng)用較廣。鉛基軸承合金PbSblOSnl6Cu2等用于中低速度、中等負(fù)荷的軸承。價(jià)格便宜，在可能的情況下盡量采用。鋁基軸承合金鋁銻鎂軸承合金 僅在低速柴油機(jī)等的軸承上使用。高錫鋁基軸承合金應(yīng)用最廣，用于汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車的軸承。

（2）有色金屬材料。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有色金屬材料是除鋼鐵以外的金屬材料，統(tǒng)稱為有金色屬。有色金屬材料大致分為銅、銅合金、鋁、鋁合金以及軸承合金等等[2]。目前有色金屬的產(chǎn)量和用量雖不及鋼鐵材料多，但由于它們與黑色金屬材料相比具有某些獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用日益增多。常用有色金屬材料的牌號(hào)及用途，見表1。

（3）非金屬材料。非金屬材料的種類繁多，在工程材料中常用的有工程塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料和新型工程材料等[3]。其中，新型工程材料有納米材料、粉末冶金、貯氫合金、形狀記憶合金、非晶態(tài)合金超導(dǎo)材料等，而納米材料和粉末冶金在工程上應(yīng)用日益廣泛。

2 材料選擇的基本原則

金屬零件在進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時(shí)，要考慮到該金屬材料是否適用與所進(jìn)行的工作條件、耐久度、要有較好的加工工藝性以及較低的成本。

2.1 保證使用性能

金屬材料的適用性能上來(lái)將，要根據(jù)材料的強(qiáng)度、塑性、剛度、耐熱性、韌性以及耐磨性幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，為了滿足材料的基本要求，通常會(huì)從金屬零件的工作條件、性能標(biāo)準(zhǔn)以及失效形式來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。機(jī)械金屬零件的工作條件，主要是根據(jù)金屬零件的正常工作過(guò)程中的受力情況、工作溫度以及零件在工作中所處的環(huán)境介質(zhì)類型來(lái)判定。

失效形式是指，機(jī)械金屬零件在被使用的過(guò)程當(dāng)中，產(chǎn)生過(guò)量變形、斷裂以及尺寸變化。金屬零件的失效形式?jīng)Q定出其所用材料應(yīng)滿足，并分析出主要力學(xué)性能，因此，對(duì)金屬零件分析其失效形式也是改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造的重要手段之一。

性能指標(biāo)是指零件及材料的性能要求與指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2 考慮工藝性能

工藝性能好是指所選材料能用最簡(jiǎn)易的方法制造出零件。某些情況下工藝性能就可能成為選材考慮的主要根據(jù)。例如：鑄鐵不能鍛打；塑性小的材料不宜沖壓；外形復(fù)雜的零件往往只能鑄造，沖壓或模鍛方式一般是用在外形簡(jiǎn)單的大批的小零件生產(chǎn)當(dāng)中。

高分子復(fù)合金屬材料的制作工藝是較為簡(jiǎn)單的，切削加工過(guò)程以及性能良好，但是該方法有個(gè)缺點(diǎn)就是導(dǎo)熱性能較差，在切削加工過(guò)程當(dāng)中不易散熱，會(huì)導(dǎo)致工件的溫度急劇升高，從而導(dǎo)致熱固性樹脂變焦以及熱塑性材料變軟的情況發(fā)生。陶瓷材料在成形之后，幾乎不能進(jìn)行其他方面的加工，但其可以用在碳化硅與金剛石砂輪磨削工藝。

金屬零件材料的加工工藝是鑄件的工藝設(shè)計(jì)，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇塑性比較好的合金材料進(jìn)行加工，最好是選用共晶成分的合金材料；若進(jìn)行鍛件設(shè)計(jì)，就要選用相對(duì)塑性較好的合金材料；對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要選用低碳鋼或者是合金鋼材料，銅合金與鋁合金的焊接效果相對(duì)較差一些。

金屬零件材料切削加工性能的好壞，會(huì)直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率等，所對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行化學(xué)分析，并通過(guò)改性處理來(lái)改善金相組織和力學(xué)性能，使其硬度控制在l70HBS～230HBS之間，以達(dá)到改善切削加工性的目的。

2.3 滿足經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性好是指所選材料能夠制造出成本最低的機(jī)器。

從化學(xué)成分的角度出發(fā)，因?yàn)殄冭F成本要低于合金鋼，因此應(yīng)該優(yōu)先使用和金屬元素較少的鋼材料；考慮到加工工藝，“鑄造代替鍛造”和“鐵代替鋼”可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本。綜合考慮性價(jià)比問(wèn)題。對(duì)于需要安全使用和考慮維修的零部件，有時(shí)選用高品質(zhì)的材料，價(jià)格較高，這將大大降低維修成本；同時(shí)，應(yīng)該盡可能多地使用新材料。

選擇鋼材時(shí)，應(yīng)在滿足使用要求的條件下，盡量采用價(jià)格便宜供應(yīng)充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時(shí)也應(yīng)優(yōu)先選用我國(guó)資源豐富的硅、錳、硼、釩類合金鋼，加35CrMnSi和zG35SiMn等。

需要指出的是，金屬零件的價(jià)格不僅依賴于材料的價(jià)格，和有一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系處理的成本，雖然使用更昂貴的材料，而是因?yàn)楹?jiǎn)單的處理，減少整體尺寸和重量，但可以產(chǎn)生一個(gè)低成本的機(jī)器。例如，在生產(chǎn)形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的大型結(jié)構(gòu)時(shí)，用軋制鋼焊接結(jié)構(gòu)比用鐵焊接更便宜。

3 結(jié)論

材料選擇是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，機(jī)械設(shè)計(jì)人員只有在掌握材料的分類、牌號(hào)、性能及應(yīng)用范圍等基礎(chǔ)上，擬訂出幾個(gè)材料備選方案綜合比較，兼顧性能要求、熱處理方式、加工工藝性與經(jīng)濟(jì)性后進(jìn)行優(yōu)選確定，通過(guò)不斷地積累經(jīng)驗(yàn)才能在機(jī)械設(shè)計(jì)選材時(shí)熟能生巧、事半功倍。

在當(dāng)今信息技術(shù)時(shí)代，建議引入人工智能（AI）、專家系統(tǒng)等先進(jìn)信息技術(shù)，輔助機(jī)械設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)、材料選擇等方面逐步實(shí)現(xiàn)智能化。