金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用初探

林偉宏

（福建省雄偉安全技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，福建 泉州 362012）

我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步大大推動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，而金屬材料是機(jī)械制造設(shè)計(jì)中重要的組成部分。機(jī)械制造不僅需要大量的金屬資源，而且還要兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求。機(jī)械設(shè)計(jì)制造的資源消耗量大與我國目前資源稀缺的矛盾日益凸顯，因此如何大幅度提高金屬資源的利用效率，保證在有限的資源環(huán)境下提高機(jī)械的耐久性是擺在企業(yè)面前的難題。要想提高金屬資源的利用效率，就要從金屬材料的選擇上入手，選用經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可重復(fù)利用的金屬材料，這樣才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。

1 我國金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇的原則

1.1 金屬材料的選擇需要考慮零件的工作環(huán)境

金屬材料在使用前要充分考慮它未來應(yīng)用于機(jī)械的工作環(huán)境。眾所周知，機(jī)械設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程。機(jī)械是由許許多多的零部件組成的，而零部件是由金屬材料加工而成。因此機(jī)械設(shè)計(jì)加工的可靠性和耐久性很大程度上取決于零件的工作環(huán)境[1]。零件的工作環(huán)境主要包括環(huán)境的溫度和環(huán)境的濕度。環(huán)境的溫度會(huì)引起金屬材料的熱脹冷縮，在持續(xù)高溫的環(huán)境下使用就會(huì)引起機(jī)械零部件體積膨脹，緊固螺栓等就會(huì)受到擠壓而變形，從而影響機(jī)械的使用安全；在持續(xù)低溫的環(huán)境下使用就會(huì)引起機(jī)械零部件體積收縮，導(dǎo)致緊固螺栓變得松弛，在機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中就會(huì)存在螺栓或齒輪脫落的情況，給機(jī)械的使用帶來安全隱患。因此在機(jī)械的設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮機(jī)械零件生產(chǎn)加工所選用的金屬材料的熱脹冷縮問題。要選用膨脹系數(shù)較小的金屬材料來制作零件，以減少金屬材料熱脹冷縮的影響，保障機(jī)械的使用安全。環(huán)境的濕度也會(huì)影響金屬材料的性能。因此在金屬材料應(yīng)選用抗腐蝕性能好、不易氧化的材料。綜上在機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造前要合理選擇金屬材料，充分分析各種金屬材料的物理化學(xué)性能，選擇膨脹系數(shù)較小、耐腐性強(qiáng)的金屬材料，這樣才能保障機(jī)械設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。

1.2 金屬材料的選擇要充分考慮工作荷載和應(yīng)力

機(jī)械在使用過程中要必然會(huì)承受一定的工作荷載和應(yīng)力。工作荷載包括機(jī)械恒載和機(jī)械活載。機(jī)械恒載包括機(jī)械上長期放置的輔助型設(shè)備儀器，而機(jī)械活載包括機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中切割、沖壓所遇到的各種壓力。機(jī)械抵抗工作荷載和應(yīng)力本質(zhì)上是組成機(jī)械的金屬材料的抗壓性能。如果選用的金屬材料沒有足夠的強(qiáng)度，那么在長期的永久荷載和動(dòng)荷載作用下就會(huì)產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響機(jī)械的耐久性和穩(wěn)定性。因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要充分考慮金屬材料的抗沖擊性和抗壓性能。保障選用抗沖擊性和抗壓性能好的金屬材料，這樣才能使設(shè)計(jì)制造的機(jī)械具備足夠的抵抗工作荷載和各種應(yīng)力的能力，進(jìn)而保障機(jī)械的使用安全。

1.3 金屬材料的選擇要考慮經(jīng)濟(jì)性和耐久性

機(jī)械設(shè)計(jì)要充分兩點(diǎn)：第一是機(jī)械設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性。第二是機(jī)械設(shè)計(jì)制造的耐久性。對于機(jī)械設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性就是要保障機(jī)械使用功能和安全的前提下，降低機(jī)械設(shè)計(jì)制造的成本。而降低機(jī)械設(shè)計(jì)制造的成本，根本上要從金屬材料的選擇上入手，對需求量大的金屬材料要進(jìn)行對比分析，選用性能良好而價(jià)格相對較低的金屬材料，這樣才能大大降低金屬材料的加工制作成本，進(jìn)而降低機(jī)械制造成本。而機(jī)械設(shè)計(jì)制造的耐久性就是要提高機(jī)械的使用壽命。機(jī)械的設(shè)計(jì)使用年限長短很大程度上取決于所選用的金屬材料，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要大量使用耐久性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的金屬材料，這樣才能使制造的機(jī)械設(shè)計(jì)使用年限大大增加，同時(shí)保障機(jī)械在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)發(fā)生影響安全和使用的問題出現(xiàn)。

1.4 金屬材料的選擇要充分考慮加工性能和機(jī)械制造復(fù)雜程度

機(jī)械是由無數(shù)個(gè)零件組成，因此要保證零件的加工質(zhì)量和縮短零件的加工周期，就要充分考慮組成零件金屬材料的加工性能。選用加工性能良好的金屬材料，不僅可以保障所制造的機(jī)械零件能夠滿足各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且還能提高零件制造效率。

1.5 金屬材料的選擇要考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展

圖1 金屬零件材料的選擇

在機(jī)械制造過程中零部件加工所用的金屬材料要選用易于替換、環(huán)保無污染的材料，同時(shí)要全面貫徹國家可持續(xù)發(fā)展的政策，在保證金屬材料質(zhì)量的同時(shí)要可循環(huán)利用，節(jié)約金屬資源。金屬材料的選擇要考慮環(huán)保：有的金屬材料雖然力學(xué)性能強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，但是本身具有放射性，會(huì)對人體健康產(chǎn)生影響同時(shí)會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染，應(yīng)當(dāng)限制此類金屬材料的使用。金屬材料的選擇要考慮可持續(xù)發(fā)展：機(jī)械零件用到的金屬材料較多、品種較雜，因此要盡量選用可循環(huán)利用的金屬材料，這樣機(jī)械達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后，可以對機(jī)械零部件進(jìn)行回收再利用，避免不必要的浪費(fèi)。

2 金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用應(yīng)做好的工作內(nèi)容

在對金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇原則做了充分了解的基礎(chǔ)之上，為保證機(jī)械設(shè)計(jì)的零件能夠滿足使用要求，機(jī)械設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員要做好金屬材料的應(yīng)用工作，設(shè)計(jì)人員具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

（1）設(shè)計(jì)人員要明確機(jī)械的設(shè)計(jì)目標(biāo)和具體要求。在機(jī)械設(shè)計(jì)之前，機(jī)械設(shè)計(jì)人員首先要明確機(jī)械的功能用途、設(shè)計(jì)使用環(huán)境和設(shè)計(jì)使用年限要求。在明確了機(jī)械的設(shè)計(jì)目標(biāo)和具體功能要求后，在設(shè)計(jì)過程中要對選用的金屬材料做一個(gè)初步選擇和分析。機(jī)械的功能用途不同，會(huì)導(dǎo)致選用的金屬材料性能差異較大。例如機(jī)械主要應(yīng)用于切割、吊裝，就要求金屬材料要有足夠的強(qiáng)度，力學(xué)性能要比較優(yōu)異。若機(jī)械主要應(yīng)用于破冰，就要求金屬材料要有抗凍、抗侵蝕性能。針對不同的功能用途，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充制定不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和方案，必要時(shí)還可以進(jìn)行機(jī)械使用模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同功能用途的機(jī)械零部件的安全性和可靠性。節(jié)約加工成本的關(guān)鍵就是要重視金屬材料的應(yīng)用管理，大力推廣經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和易于就地取材的金屬材料，認(rèn)真分析不同材料的物理化學(xué)性能，充分發(fā)揮各種金屬材料的性能，改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝，在滿足機(jī)械用途的前提下，簡化機(jī)械的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，大幅度降低機(jī)械制造成本。

（2）機(jī)械設(shè)計(jì)人員要做好金屬材料的性能分析工作。要保證機(jī)械能夠滿足生產(chǎn)和使用要求，就必須要做好金屬材料的性能分析工作。金屬材料的性能分析工作主要包括：金屬材料的物理性能分析和金屬材料的工藝性能分析。金屬材料的物理力學(xué)性能是指機(jī)械設(shè)計(jì)用到的金屬材料應(yīng)當(dāng)能夠滿足不同使用功能用途，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。當(dāng)機(jī)械長期處于高溫環(huán)境作業(yè)時(shí)，需要應(yīng)用膨脹系數(shù)較小的材料，保證零件的穩(wěn)定性；當(dāng)機(jī)械長期處于潮濕環(huán)境作業(yè)時(shí)，需要應(yīng)用抗氧化和抗腐蝕性能優(yōu)異的金屬材料，保證零件不被潮濕空氣氧化和銹蝕，進(jìn)而保證機(jī)械的使用安全；當(dāng)機(jī)械長期處于高負(fù)荷、高應(yīng)力環(huán)境作業(yè)時(shí)，需要應(yīng)用抗沖擊性能、抗疲勞性能、抗壓強(qiáng)度高的金屬材料。金屬材料的工藝性能是指機(jī)械設(shè)計(jì)用到的金屬材料在加工制作的過程中能夠具備良好的焊接、鍛造性能。能夠根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，方便切割、焊接和組裝，能夠大幅度提高機(jī)械零件的加工質(zhì)量和加工效率。

（3）機(jī)械設(shè)計(jì)人員要合理選擇加工和生產(chǎn)工藝。機(jī)械是由眾多的零件組成，機(jī)械的質(zhì)量很大程度上取決于金屬材料的質(zhì)量，同時(shí)科學(xué)合理的加工和生產(chǎn)工藝直接影響著零件的質(zhì)量。因此機(jī)械設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要充分重視零件加工和生產(chǎn)工藝。機(jī)械設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)機(jī)械的使用用途和機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度設(shè)計(jì)采用多套加工和生產(chǎn)工藝方案，根據(jù)選定的加工和生產(chǎn)工藝方案，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)法和列表法，對各個(gè)加工和生產(chǎn)工藝方案進(jìn)行優(yōu)缺對比，綜合分析后從中選擇既能滿足生產(chǎn)和使用要求，又能大幅度縮短加工周期的方案。要盡可能的減少人員消耗和資金消耗。機(jī)械設(shè)計(jì)人員通過制定科學(xué)合理的加工和生產(chǎn)工藝可以充分發(fā)揮不同金屬材料的物理力學(xué)性能，保證零件的各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，同時(shí)還能夠提高機(jī)械的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著我國機(jī)械制造業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械的安全性、可靠性和耐久性引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。而保證機(jī)械能夠滿足要求最為關(guān)鍵的是要保證選用的金屬材料能夠達(dá)標(biāo)。因此金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇和應(yīng)用逐步受到了機(jī)械設(shè)計(jì)人員的重視。金屬材料的選擇不僅要充分考慮機(jī)械的使用環(huán)境和使用用途，還要根據(jù)不同的使用環(huán)境和使用用途應(yīng)用不同物理力學(xué)性能和加工性能的金屬材料。只有這樣才能保證生產(chǎn)的機(jī)械既能滿足使用要求，還能提高機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，不斷推動(dòng)中國機(jī)械制造業(yè)健康高效發(fā)展。