机械设计中的材料的选择和应用

刘洋君

(北京中科泰安脉冲气压喷射技术有限公司,北京 100095)

为了促进经济的发展和保障城市化建设，机械行业需要不断改进工作中的问题，做好工作中的每一个环节。机械设计中的材料选择和应用是整个行业的关键所在，关系到产品和质量和整个行业的发展。新的形势下，机械设计行业需要面对新的问题和挑战，因此，需要在关键环节加强提升和改进，确保机械设计行业的稳步发展。

1 机械设计中的选择材料的意义

随着现代工业化体系的不断完善，整个机械设计与加工行业面临着新的机遇和挑战。由于对机械需求量的不断增加，直接导致了材料的短缺。材料是机械设计和零件生产的基本元素，保证材料的供应和恰当的选材，是机械设计行业持续发展的基础。因此，面对当前的局面，必须加强机械设计中的材料选择工作力度。一方面保证选择适合的、实用的材料，另一方面，为了节约资源、保护环境，还要在选材的过程中充分考虑材料的经济性和环保性。通过良好的完成机械设计材料的选择工作，从而推动机械设计行业的稳步发展。

2 机械设计中材料的选择

材料选择是否合适，会直接影响零件的质量和企业成本，因此在整个机械零件的设计与制造过程中，材料的选择是十分重要的一个环节。目前，对机械设计的材料进行选择的时候，通常都是参考相同零件或类似零件的选材方式，主要依靠传统的经验进行选择工作。但是这种方式有比较严重的缺陷，一旦没有先例进行参考，通常就选择一种相对万能的材料，这种选材方式就容易出现问题。因此，我们有必要对机械设计中的材料选择进行认真分析，总结出恰当的选材方式。

（1）坚持使用性的要求。材料的使用性是选材时需要坚持的首要要求，这也是保证材料性能和质量的根本因素。不同零件在选材的方面有不同的要求，一些零件对强度有很高的要求，另一些零件更加侧重于零件的耐磨性，甚至一些零件更加外观方面的美观。因此，在选材时，要坚持根据不同零件采取不同的选材策略，准确地判断零件使用性能方面的要求，选择真正适合零件设计的机械材料。

（2）材料载荷类型的选择。通过大量的试验和研究，我们发现在机械设计中导致大部分零件实效的原因是由机械材料的外载荷性能所导致的，但是机械零部件具有的应用性能可以对这种问题进行有效的抑制。这种外载荷性能与抑制失效问题能力二者出现矛盾，因此，在进行机械设计的材料选择时，要以零部件材料的荷载性能作为选材的标准。可以将材料的载荷性能归纳为以下方面：①当机械材料零部件在外载荷力的作用下发生弯曲或者扭转的现象时，材料的表层会集中大部分应力，由此可见，材料表层的性能直接决定着对材料零部件实效性的抑制效果。因此，在机械设计的选材过程中，如果选择的材料需要承受这种载荷力的作用，可以选择中碳钢调质或者低碳钢渗碳的方式对材料进行加工，对表层施以高频淬或者采用淬火和低温回火的加工方式。经过处理后的零件内部通常具有较高的综合机械性能，表层具有很高的硬度。通过这样的选材和加工方式可以保证生产的成品的质量。②对那些单纯承受拉伸或者压缩能力的材料零件，由于外载荷作用力会分布在整个零部件的横截面，所以在进行机械设计的过程中，要选择性能分布更加均匀的材料。由于高碳钢材料较脆，在承受冲击载荷时容易断裂。因此，应该避免选择这种材料作为承受高拉伸和压缩力的材料。弹性零件不允许在工作时有残余变必须具备高强度、高塑性和充足的韧性，通常选择弹簧钢作为零件的制作材料。通过近年来的研究发现，对低碳钢施以淬火强韧化处理也可以满足弹性零件的使用要求。因此，要坚持恰当的选材和先进的技术相结合，从而保证生产的质量和性能。

（3）碳素钢与合金钢的选择。目前，对各种材料的选择中，碳素钢是使用率较高的一种材料。由于加工工艺性好、价格便宜使碳素钢被广泛使用，但是，碳素钢也有较为明显的缺点，一定程度上制约了使用范围。碳素钢的强度较和韧性较差，中等形状以上的零件不能被整体的淬透，这些都是碳素钢的局限性。为了改善碳素钢的缺陷，可以在碳素钢中加入适量的合金元素，形成一种新的材料—合金钢。在合金结构钢中，合金元素主要起提高强度和韧性以及增加淬透性的作用。除了这三个作用外，由于能形成炭化元素的合金元素的加入，也提高了材料的耐磨性。另外，当合金含量较高时，可以使材料的性能进一步提高。例如在耐热、不锈、耐腐性方面都有提高。通常只有在外载的应力较大，且较复杂的情况下才会选择合金钢。另外，有时为了改善淬火的工艺性，避免淬火裂纹产生或减小变形也会选择合金钢制造。这有在上述特殊情况下才会选择使用合金钢，一方面是为了保证特殊情况下得零件质量，另一方面也是为了避免资源的浪费。

（4）选择加工过程中污染和能源消耗程度较低的材料。①尽量避免采用热处理的材料。热处理的工艺决定着机械零件的性能和使用寿命，但是，这种工艺会对环境产生较大污染，同时也会消耗较多的能源。因此，在选择材料的时候，尽量选择在热轧、冷拔状态下可以达到性能要求的材料。②选择热处理工序少的材料。当无法选用其他材料的时候，尽量选择热处理工序较少的材料：用低淬透性钢制造齿轮，即使经过穿透性加热，冷却后也只会表面淬硬，齿轮的内部仍然保持坚韧的状态。通过对淬硬层加热淬火，可以取代部分合金钢+渗碳淬火，从而降低了环境的污染，减少了能源消耗；低碳马氏钢具备优良的机械性能，在某些方面甚至优于中碳结构钢。在静载荷缺口的敏感性、疲劳缺口的敏感度等方面，低碳马氏钢都具有较好的表现。低碳马氏钢的在能耗方面消耗较小，起到了节能和环保的效果；恰当选择用于干切削的材料。机器零件的加工通常使用切削液的方式进行，切削液价格较为昂贵，而且会产生较为严重的环境污染。因此，为了降低成本，同时保护环境，应该尽量减使用切割液的干切削加工技术。如果采用干切削刀具进行加工，应该选择适合干切削的材料。

（5）选择对人体无害的材料。在机械设计的工作中，部分材料包含一些对人体有害的元素，甚至对整个生态都会产生破坏。离子状态存在的Cr+6是各种合金元素中对人体毒害最大的元素，其他的As、Ni等也会对人体产生伤害。含有这些元素的材料被废弃后，会污染、水源和土壤，直接造成人体危害或者对生态造成破坏。例如Pb37%的Sn-Pb合金曾经广泛应用于集成电路和印刷的配件上，当电路板废弃后，由于很难对这种材料进行回收，通常进行填埋处理。但是Pb是可以溶于水的元素，会通过生物链对人体产生危害。类似于这类会对人体产生危害的材料，在选择时要尽量慎重，避免材料选择不当造成的人体伤害。

（6）选择易回收处理、可循环利用的材料。金属材料种类繁多，在钢种方面就有一百多种。在循环利用的过程中，很多种类不同的材料混在一起，加大了废料的回收处理的难度，也给废料的循环利用带来了很大困扰。因此，为了更好地实现金属材料的循环利用，最好使用单一的合金系来制造零件，合金系中的组元越少，环境的承载压力也会减少，合金的循环利用的性能会相应提升。

3 结语

随着社会的不断发展，对机械设计行业提出了更高的要求和挑战。机械设计行业对于促进经济发展和现代化的工业进程都有十分重要的意义，必须花大力气切实保障机械设计行业的稳步发展。机械设计中的材料选择和应用是整个设计工作中的重点，关系到产品的质量和行业的进步，因此，在具体的工作中，我们需要对机械设计中的材料选择和应用进行更加全面的考虑。不仅要保证选择的材料能够满足设计加工的需求，还要注意材料应用过程中的环保性和经济性。做好了这两方面的工作，可以为机械设计行业的稳步发展奠定良好基础。

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