機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用研究

覃韋杰

摘 要：本文闡述了機械設(shè)計中常用材料的主要性能，詳細(xì)分析了機械設(shè)計過程中材料選擇的原則，為提高機械產(chǎn)品零部件的使用性能，使用壽命，降低機械產(chǎn)品的制造成本提供參考。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；常用材料；選擇；研究

0引言

隨著機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)化及信息化的不斷融合，各種專用的自動化生產(chǎn)線代替了大量勞動力，生產(chǎn)制造業(yè)逐漸往自動化化、智能化方向發(fā)展，各種非標(biāo)機、電、液一體化設(shè)備廣泛的應(yīng)用在各行業(yè)生產(chǎn)線，機械產(chǎn)品的設(shè)計量不斷增多，設(shè)計要求不斷提高。機械產(chǎn)品零部件的使用性能及使用壽命直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計，新機械產(chǎn)品大多數(shù)故障都是因為材料選取不合適造成的，因此，機械材料的選擇是機械設(shè)計的關(guān)鍵步驟。材料選取的科學(xué)性直接關(guān)系到機械產(chǎn)品的使用性能、生產(chǎn)成本及穩(wěn)定性，同時不能造成環(huán)境污染及人體傷害，是機械設(shè)計過程中需要關(guān)注的重要內(nèi)容。

1 機械設(shè)計常用材料

1.1金屬材料

機械行業(yè)常用材料包括金屬材料（鑄鐵、鋼、銅合金）與非金屬材料（陶瓷材料、高分子材料及復(fù)合材料等）。材料選取前應(yīng)充分了解各種材料的成分及使用性能。

1.2非金屬材料

常用的非金屬材料進(jìn)性能如表1所示

表1常用非金屬材料及性能

3 選用材料的一般原則

機械設(shè)計過程中，材料的選擇與其使用性能及使用壽命有直接關(guān)系，零部件材料選擇時要充分考慮以下幾個方面。

3.1 材料的工況特點

零部件在特定的工況下能達(dá)到的功能及壽命是選材的關(guān)鍵，選材時應(yīng)充分考慮材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等指標(biāo)。

3.1.1零件受載情況

①脆性材料受力變形較小，適用于靜載情況下，對于載荷波動較大情況，應(yīng)采用塑性材料。

② 對于接觸應(yīng)力較高的零部件，為了避免材料表面發(fā)生過大的變形，應(yīng)選用硬度較高且表面可強化處理的材料。

③對于零件尺寸和重量有限制的場合，適合選用高強度及高彈性模量的材料。

3.1.2零件工作環(huán)境

①零部件工作在溫度較大或有腐蝕性的環(huán)境中，選用的材料應(yīng)具備防銹或防腐蝕性能。

②零件在高溫工況條件下使用時，選用耐熱材料。

③摩擦力可作為阻力也可作為動力，當(dāng)盡量避免摩擦力時，需要選用減摩性能好的材料。需要提高摩擦力時，需要選用摩擦系數(shù)大的材料，例如，輪胎。

3.1.3零件失效形式

①連接螺栓等零部件，一般承受拉力和剪力，主要失效形式是變形和斷裂，選用的材料要考慮強度及塑性。

②傳動軸類零件，承受彎矩與扭矩的作用，載荷周期波動，零件多在截面突變的位置發(fā)生疲勞破壞，這類零部件需要具有較好的綜合機械性能。

③齒輪類零部件，承受周期性的彎矩及壓力作用，失效的主要形式是磨損、疲勞點蝕、輪齒折斷等，齒輪類材料需要基體具有較高強度及韌性，表面經(jīng)過熱處理得到較高的硬度及疲勞極限。

3.2材料的工藝性能

零件選材應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的加工設(shè)備，盡量降低加工復(fù)雜程度，降低加工成本，提高成品率。

⑴鑄造性能

鑄件在機械設(shè)備零部件的占比較大，鑄鋼件、鑄鐵件品種較多，形狀復(fù)雜，材料的鑄造性能（流動性、收縮性、偏析性等）及零部件的形狀直接關(guān)系著鑄件的鑄造質(zhì)量及強度

⑵鍛造性能

材料的可塑性及變形抗力反應(yīng)材料的鍛造性能。材料的含碳量越高，基材硬度越高，毛坯可鍛性越差，低碳鋼可鍛性能優(yōu)于中碳鋼及高碳鋼，低合金鋼與中碳鋼的可鍛性類似，鋁合金基本上很少應(yīng)用于鍛造加工，銅合金可鍛性良好。

⑶焊接性能

焊縫組織成份、焊接質(zhì)量、焊接應(yīng)力、焊接缺陷及焊縫強度是焊接件質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)，碳及合金元素含量越高，材料的焊接性能越差，焊接件的選材應(yīng)充分考慮焊接性能。焊接性能較好的材料是低碳鋼和含碳量0.18%以下的合金鋼，中碳鋼、高碳鋼及含碳量高于0.35%的合金鋼焊接性能較差，焊接時需要預(yù)熱處理，銅合金和鋁合金很少作為焊接件使用；灰口鑄鐵不能焊接。

⑷切削加工性能

材料的切削性能一般通過刀具耐用度、切削力大小、切削溫度高低、面粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力、斷屑性能進(jìn)行衡量，鋁、鎂合金硬度較低，非常容易切削加工，易切削鋼、切削加工工藝性較好，45鋼、灰口鑄鐵、85 鋼（ 軋材） 、2Cr13 鋼調(diào)質(zhì)切削加工性能一般。1Cr18Ni9Ti、W18Cr4V 鋼、65Mn鋼調(diào)質(zhì)、不銹鋼、耐熱合金、鈷合金難切削加工。

⑸熱處理性能

金屬零部件很少直接使用基材的本身性能，大多需要經(jīng)過熱處理提高表面強度、硬度、耐磨性或疲勞強度。金屬材料的淬透性、開裂傾向、熱敏感性、抗氧化性、脫碳傾向、回火脆性及變形等因素決定熱處理后的產(chǎn)品質(zhì)量。

4.結(jié)論

零部件的選材與機械產(chǎn)品的使用性能與壽命有直接關(guān)系，選材過程中應(yīng)充分考慮零部件的工況特點及加工工藝性能。同時，考慮材料的經(jīng)濟型，控制產(chǎn)品的制造成本。另外，零部件的選材還要考慮對環(huán)境的影響及新材料的選用。提高機械設(shè)計過程選材的正確性，兼顧經(jīng)濟及環(huán)保性。

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