淺析材料在機(jī)械設(shè)計中的選擇和使用

摘要：在開展機(jī)械設(shè)計的相關(guān)工作時，必須重視材料的選擇及使用。目前機(jī)械行業(yè)正處在持續(xù)快速發(fā)展階段，同時對經(jīng)濟(jì)增長的方式進(jìn)行改變及可持續(xù)發(fā)展改革的不斷深入，相關(guān)部門只有重視機(jī)械設(shè)計材料選擇、運(yùn)用，才能使機(jī)械設(shè)計的整體質(zhì)量得到保證。文章對材料在機(jī)械設(shè)計中的選擇和使用進(jìn)行分析，為選擇優(yōu)質(zhì)的機(jī)械設(shè)計材料提供有利條件。

關(guān)鍵詞：材料選擇；材料使用；機(jī)械設(shè)計；機(jī)械行業(yè)；機(jī)械產(chǎn)品 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 概述

要想國內(nèi)經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展、城市化的建設(shè)步伐加快，應(yīng)在不斷實踐、研究中對機(jī)械設(shè)計的具體工作進(jìn)行完善，進(jìn)而將設(shè)計中的所有細(xì)節(jié)工作做好，最終達(dá)到人們的生活需求及社會發(fā)展需求。對機(jī)械進(jìn)行設(shè)計時，必須重視材料選擇的具體工作，材料在較大程度上對產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)械設(shè)計的行業(yè)發(fā)展有直接影響。因此，機(jī)械設(shè)計的人員一定要將材料選擇工作做好，進(jìn)而才可以使其得到更好的運(yùn)用。

2 分析機(jī)械設(shè)計過程中材料的選擇及應(yīng)用的方法

2.1 分析調(diào)質(zhì)及其設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)目前的具體情況看，調(diào)質(zhì)技術(shù)是最常用的一種熱處理技術(shù)。對大多數(shù)零部件進(jìn)行處理時均可以通過調(diào)質(zhì)技術(shù)進(jìn)行操作，且該技術(shù)的效果能夠使所選的材料綜合性能得到提升，即利用調(diào)質(zhì)技術(shù)能夠?qū)Σ牧蠌?qiáng)度進(jìn)行拉伸，使機(jī)械設(shè)計材料的屈服度及拉伸強(qiáng)度得以不斷提升，進(jìn)而增強(qiáng)材料的塑性及強(qiáng)度。通過提升材料的沖擊度、強(qiáng)度，能夠使設(shè)計過程中零部件的使用截面減小，進(jìn)而降低整個機(jī)械的重量及降低部件的消耗及所占空間。在運(yùn)用調(diào)質(zhì)技術(shù)的過程中，必須注意下面的三點要求：一是一定要將調(diào)質(zhì)標(biāo)注清楚，若只是將熱處理標(biāo)注出來，大部分廠家很可能會運(yùn)用其他處理技術(shù)來進(jìn)行操作，如利用正回火使材料的硬度達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但正回火技術(shù)降低材料強(qiáng)度大大降低，致使其在具體工作中出現(xiàn)斷裂情況；二是必須將調(diào)質(zhì)硬度范圍注明，進(jìn)而才可以為工廠生產(chǎn)提供便利，如果硬度的范圍較窄就不能達(dá)到具體的生產(chǎn)需求；三是材料硬度與所要求的實際強(qiáng)度必須相適應(yīng)。

2.2 分析表面硬化技術(shù)與選材

對機(jī)械進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)利用硬化技術(shù)對各種金屬材料的表面進(jìn)行相應(yīng)的處理，且對其進(jìn)行處理主要是為增強(qiáng)材料的耐蝕性、耐磨性，而氮化技術(shù)、滲碳技術(shù)則是比較常用的硬化技術(shù)。滲碳技術(shù)通常是指，在滲碳爐對鋼材表面碳含量進(jìn)行增加，使其達(dá)到被允許范圍時在淬火，進(jìn)而讓鋼材的表面硬度能夠達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，再通過低溫回火技術(shù)將其應(yīng)力消除，使其組織結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。能夠利用滲碳技術(shù)進(jìn)行處理的材料通常是滲碳鋼，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的過程中，可參照實際要求對其進(jìn)行運(yùn)用。如可以根據(jù)心部強(qiáng)度、零部件主要的尺寸大小對材料進(jìn)行選擇，需要重視的一點是材料的使用不能過度，否則導(dǎo)致生產(chǎn)成本不斷增加。通常情況下，如果截面的有效面積低于50mm，可選擇20Cr。但是，如果有效截面面積大小在50～150mm之間，而且其重量低于50kg，就可選擇20CrMnTi。滲碳層度深度應(yīng)參照實際的需求才能進(jìn)行確定，若增加其層深就說明必須使?jié)B碳時間延長。

2.3 分析氮化技術(shù)及相關(guān)材料的選擇

不管是何種鋼材通常都可以利用氮化技術(shù)對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，但比較常用的一種鋼材主要是45型號的氮化鋼。使用氮化技術(shù)時往往是利用氮化爐對其進(jìn)行操作，因而其優(yōu)勢主要是變形較小，進(jìn)行氮化后就不必再加工。同時，氮化硬度應(yīng)參照材料質(zhì)量才能確定，進(jìn)行設(shè)計的過程中必須注意一定要使用整體的氮化技術(shù)，由于氮化層并不會帶來不好的影響，所以不必再次進(jìn)行處理。必要時可運(yùn)用局部的氮化技術(shù)對局部進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，進(jìn)行氮化后再把保護(hù)層全部去掉。該技術(shù)最大的一個特點就是熱處理的過程中變形較小、硬化層也相對較小，尤其是適合與調(diào)質(zhì)技術(shù)共同使用，進(jìn)而可以使材料耐磨性、技術(shù)強(qiáng)度大大提升。

3 分析機(jī)械設(shè)計中最常用的四種材料

3.1 高分子材料

在機(jī)械設(shè)計，對于高分子材料而言，其主要包括合成纖維及塑料。此類材料在相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)中存在許多優(yōu)點，且材料來源非常豐富。能夠從天然氣中進(jìn)行提取，該材料所消耗的能源較少，且其密度也比較小，其延展性同樣非常好。

3.2 金屬材料

各種工程的材料使用中，其使用范圍最廣泛的主要是金屬材料。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，金屬材料在機(jī)械類產(chǎn)品中占了90%以上的比例。尤其是鋼鐵材料在機(jī)械設(shè)計中的使用最為普遍，由于鋼鐵的韌性、強(qiáng)度較好，且其價格相對較便宜，也可以達(dá)到各種性能標(biāo)準(zhǔn)，所以使用較多。金屬類材料中的合金，其性能非常優(yōu)良，比較適合用來制作各種機(jī)械產(chǎn)品中的零部件。

3.3 復(fù)合材料

機(jī)械設(shè)計中所使用的符合材料主要由不同的、兩種以上的材料做構(gòu)成，且通過化學(xué)與物理方法有機(jī)組合而成的新型材料，此類材料的性能均可以達(dá)到各種工業(yè)生產(chǎn)的需求。其中，復(fù)合材料通常包含非金屬材料和金屬材料，而金屬材料有合金、鎂、鋁；非金屬材料則包括陶瓷、橡膠、樹脂等。金屬絲、碳化纖維及玻璃纖維則屬于增強(qiáng)型的材料。

3.4 陶瓷材料

對陶瓷材料來說，其主要成分是碳化硅、氮化硅，且此類材料的特點主要有密度較低、硬度較高、具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度及耐腐蝕性強(qiáng)，其缺點是價格非常貴、比較容易發(fā)生斷裂、比較脆。目前，陶瓷材料大多使用在密封零件的制作中。

4 機(jī)械設(shè)計中材料的選擇及使用必須注意的相關(guān)事項

4.1 對材料進(jìn)行選擇時必須重視其適用性及經(jīng)濟(jì)性

機(jī)械設(shè)計的具體工作人員應(yīng)根據(jù)不同的機(jī)械設(shè)計工藝，比如鍛造工藝、鑄造工藝、焊接工藝根據(jù)各種需求選擇適合的材料，進(jìn)而才可以使材料發(fā)揮出最大的效用。如鑄造工藝中所使用的材料一定要具備較好的偏折性、吸氣性、收縮性；焊接工藝中的材料應(yīng)有良好的敏感性及使用性；而鍛造工藝使用的材料則應(yīng)具有相應(yīng)的鍛后冷墩性、沖壓性、冷卻性、可鍛性。只有將各種工藝制作中需要的材料性質(zhì)把握好，進(jìn)而才可以選擇出真正合適的機(jī)械設(shè)計材料。另外，對材料進(jìn)行選擇、使用的過程中還要重視材料的經(jīng)濟(jì)性，所選材料應(yīng)在滿足設(shè)計需求的同時盡量保證價格為最實惠、最便宜，這樣就才能夠時機(jī)械設(shè)計成本得以降低。

4.2 材料選擇過程中一定要重視其環(huán)保性及節(jié)能性

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，自然破壞現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，自然環(huán)境問題早已成為社會中的熱點話題之一。環(huán)境與人類的生活、生存有密不可分的關(guān)系，對自然環(huán)境進(jìn)行保護(hù)也是各個社會成員共同的責(zé)任及義務(wù)，想要促進(jìn)社會發(fā)展，就必須對環(huán)境進(jìn)行有效的保護(hù)，過度的開采往往只會產(chǎn)生適得其反的后果。因此，對機(jī)械設(shè)計中的材料選擇一定要重視節(jié)能性及環(huán)保性；設(shè)計人員一定要堅持可持續(xù)發(fā)展觀，使用污染較小、能耗較少的材料，對那些不可再生、有效的資源必須盡量節(jié)約，進(jìn)而能夠在完成機(jī)械設(shè)計任務(wù)的基礎(chǔ)上，使自然環(huán)境得到相應(yīng)的保護(hù)。

5 結(jié)語

做好機(jī)械設(shè)計材料選擇、使用工作對機(jī)械設(shè)計事業(yè)的發(fā)展有重要作用，對機(jī)械材料進(jìn)行選擇的過程中，必須將材料的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、實用性等因素考慮進(jìn)去，進(jìn)而才可以使機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能得到保證，才可以給機(jī)械設(shè)計的持續(xù)、健康發(fā)展提供必要的

條件。

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作者簡介：黃丹（1982-），女，江蘇沛縣人，泰爾重工股份有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）