機械設計中金屬材料的選擇及應用研究

高 霞，徐 靜，劉瑞霞

（鄂爾多斯職業學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

近年來隨著我國科學技術的不斷發展，對于機械制作行業也起到了良好的促進作用。在這一趨勢下對于機械設計工作也提出了更高的要求。金屬材料的選用作為機械設計中的重要內容，但是目前我國機械材料市場還不夠完善，在機械設計過程中選用的金屬材料還會受到一定的限制，這也就需要相關設計人員能夠進行金屬材料的合理選擇，充分發揮出金屬材料的作用，促進機械設計質量跟設計效果進一步提高。

1 機械設計中金屬材料選擇的基本原則

1.1 荷載的大小與性質

荷載大小在機械設計中有著非常重要的意義，因此在金屬材料的選擇過程中，還需要對材料荷載的承受能力進行綜合性考慮，確保金屬材料的荷載性能能夠滿足機械設計需求。此外在金屬材料選擇過程中還要結合機械設計的具體需求，進行材料性質的綜合性分析[1]。

1.2 零件結構的復雜程度跟材料加工性能

在機械設計過程中，零件結構越復雜表明在制作過程中所采用的加工技術手段就越多。一般機械制造的加工手段包含有焊接、沖壓元件以及毛坯制造等等，這也就需要在結合了加工手段基礎上，對金屬材料的加工性能進行考慮。在機械設計中進行金屬材料選擇時，需要就金屬材料的沖壓性能、切削性能、焊接性能以及鑄造性能進行明確，隨后根據零件結構的復雜程度對材料的加工性能進行明確。如果我們所選擇的金屬材料不符合機械零件的加工性能，則無法應用到機械制造之中[2]。

1.3 零件的工作環境

不同工作環境下的零件，對于金屬材料的性能也存在有一定差異性，這也是機械設計中進行金屬材料選擇時所需要重點關注的問題。在金屬材料選擇時，需要就常見的壓力變化、溫度變化、電導率變化以及體積變化等工作環境進行明確，比如在濕熱工作環境下金屬材料還容易受到腐蝕的情況，因此機械設計中需要選用一些抗腐蝕能力比較強的金屬材料，這樣才能夠避免環境因素對于材料所造成的損害情況發生，保障機械產品的運行可靠性不會受到外界環境的影響。

1.4 零件的尺寸與質量

機械設備生產過程中對于零件質量與精度有著非常高的要求，為了保障零件制造能夠滿足機械設備的后續生產需求，還需要加強對金屬材料選擇工作的重視力度。如果所選擇的機械材料無法滿足零件加工精度與質量的具體要求，也就不能應用到機械設計過程中。

1.5 材料經濟性

材料經濟性會直接決定機械設備的生產效益，因此在金屬材料選擇過程中，除了材料性能能夠滿足機械設備的實際上生產需求之外，還需要就材料的經濟性進行綜合性考慮，做好材料設計中所有環節的成本計算，通過適當的材料組合，降低機械設備的生產成本。因此設計人員還需要對材料市場有充分掌握，并在保障材料性能滿足機械設計基礎上，盡可能選擇一些經濟性比較高的金屬材料，為機械制造企業帶來良好的經濟效益。

1.6 材料的適用性

在金屬材料選擇過程中還要遵循適用性原則，保障金屬材料的功能能夠得到最大限度的發揮。比如說碳鋼素金屬材料在機械零件加工中比較常見，但是在淬火加工過程中還容易出現變形或者斷裂的情況，因此在一些需要進行淬火處理的機械零件制作過程中，不得采用碳鋼素金屬材料進行材料制備。只有保障材料的適用性，才能夠滿足機械制作的設計需求，為企業帶來更大的經濟效益。

2 機械設計中應用的技術手段

2.1 調質工藝與設計應用分析

在傳統的機械材料加工處理過程中，后期零件的重量跟截面是無法得到改變的，也就容易導致機械設備出現體積或者重量增大的情況。通過熱處理的方式則能夠對該問題起到良好的解決效果。通過熱處理方式能夠讓金屬材料的拉伸強度以及屈服度進一步提高，增強材料的可塑性以及零件的整體應用性能。此外熱處理方法對機械零件的截面也能夠起到良好的優化效果，在機械設計中有著重要的應用價值。在機械設計過程中應用調質工藝時還需要做好以下幾個方面的工作內容：①注明調質：在進行金屬材料的熱處理時，如果只是單純進行熱處理，可以采用該方式。比如在調質技術應用中，通過正回火工藝大幅度提高材料硬度，但是設計人員還要注意正回火工藝會降低材料的沖擊強度，導致材料斷裂率提高，需要在結合實際設計需求進行制造工藝的合理選擇[3]。②明確調質硬度范圍。在利用調質技術進行金屬材料性能優化時，需要對材料的硬度范圍進行明確，避免后續生產過程中出現超出標準范圍的情況發生，保障機械生產環節的有序開展。③材料要求適應性。在應用調質技術時，需要嚴格按照相關規范標準進行操作，并且要求材料性能以及操作流程能夠符合相關機械設計規范。

2.2 表面硬化技術與選材

機械設計材料需要后期進行再加工處理，比如通過表面硬化技術促進零件自身的耐磨性以及抗蝕性進一步提高。目前在機械設計與制造過程中選用的表面硬化技術具體包含有滲碳技術以及氮化技術兩種類型，其處理方法以及應用特點也存在有較大差異性。一般在采用滲碳技術提升金屬材料避免硬化度時，需要在操作過程中將材料放置到滲碳爐中，增加鋼材材料的碳含量，隨后進行淬火處理，讓材料硬度進一步提高，最后通過低溫回火技術提高材料穩定性。如果在機械設計中需要對金屬材料進行滲碳技術處理，在金屬材料選擇過程中要對零部件的尺寸、芯部強度進行明確，避免過度使用材料所導致的成本增加問題發生。一般零部件有效截面積小于50mm時可以選用20Cr以下的材料，如果截面積在50m2～150m2但是重量小于50kg時，一般可以選擇20Crmnti。在結合實際需求進行滲碳程度的選擇。

在進行氮化處理過程中，常用的是45型號的氮化處理技術，并且具備有能夠顯著減少變形率的應用優勢[4]。在氮化爐中進行金屬材料性能的改善時，能夠直接省去后續的施工環節，促進加工處理質量進一步提高，還能夠顯著避免再次處理過程中所耗費的時間與資源。針對部分有著特殊要求的機械零件，可以結合其他調質技術，促進金屬材料的強度與耐磨性進一步提高。

3 機械設計中金屬材料的選擇策略

3.1 選擇低能耗的金屬材料

近年來隨著我國可持續戰略的推行，在機械材料設計過程中還需要進行節能理念的不斷滲透。除了保障金屬材料的性能標準能夠滿足機械制造需求外，還要符合綠色發展觀的具體需求，選擇一些污染交底以及能耗較少的材料。通過低能耗金屬材料的應用，可以顯著減少機械加工生產過程中產生的廢物與廢氣，對于我國生態環境也能夠起到良好的保護效果。此外為了滿足我國環保制造理念的具體要求，可以選擇一些只需要進行冷軋或者熱軋就可以加工處理的金屬材料，這樣不僅可以顯著減少材料在加工過程中出現的事故發生率，還有著節能環保的應用優勢。需要注意的是因為金屬材料自身性能存在有一定差異性，因此在具體熱處理施工過程中所采用的施工工藝也存在有一定差異性，為了有效減少金屬材料加工過程中導致的能耗，機械設計過程中還要盡量選擇一些加工工序比較少的金屬材料，借此在滿足了機械設備實際加工生產需求基礎上，減少金屬材料在加工過程中對于環境的污染以及能源損耗，從而實現經濟效益與生態效益的協同發展，對于機械制造企業的持續穩定發展也有著重要意義。

3.2 進行環保型材料的選擇

一些材質的金屬材料還有著可回收性以及再生能力強的應用優勢，在機械設計過程中還能夠實現材料的循環使用，并有著良好的環保效果。因此在金屬材料的選擇過程中需要盡量挑選一些環保型材料，這樣不僅能夠實現經濟上的有效節約，對于我國生態環境也有著一定的保護效果。在機械制作中所應用到的金屬材料類型比較多，不同類型的金屬材料其制作工藝也存在有一定差異性。因此在保障了金屬材料使用性能基礎上，在材料選用過程中需要盡量避免過于復雜，因為如果材料的種類比較多，還會導致廢棄回收難度進一步增加，導致材料浪費等問題發生。

3.3 選擇新型安全材料

近年來隨著我國科學技術的不斷發展，越來越多的新型材料在機械制作中也獲得了良好的應用效果，其安全性能與環保性能較之于傳統材料也得到了大幅度的提升，對于環境保護工作也有著積極意義。一般情況下傳統的金屬材料自身還具備有非常強的危害性，在后期加工過程中因為一系列的化學變化，還會導致有害氣體產生，對于接觸者與當地環境也會造成嚴重損害。因此在機械設計過程中進行金屬材料的選擇時，還需要在滿足了機械設計要求基礎上，盡可能選擇新型材料來進行機械零件的制造工作，避免傳統材料使用中所造成的經濟損失跟生態破壞。例如金屬泡沫材料就是一種比較安全的應用材料，不僅對人體以及環境不會產生副作用，還有著可循環利用、適用性強的應用優勢，在高功率的機械電子設備中也能夠獲得良好的應用效果。

4 結語

綜上所述，近年來隨著我國社會經濟的不斷發展，制造行業水平也得到了一定程度的提升，對于機械設備的要求跟需求量也得到了一定程度的增加。金屬材料作為機械設計工作中的重要內容，金屬材料的選擇合理性在一定程度上會影響到機械產品的生產質量以及生產效益，這也就需要相關設計人員能夠加強對該方面工作的重視力度，遵循相關原則進行金屬材料的合理選擇，還要兼顧到機械設備制作過程中的經濟效益跟生態效益，只有這樣才能夠獲得良好的機械設計效果，對于我國制作企業的發展也有著積極意義。