試析機(jī)械材料的類型及其選用原則

馮廣增

摘 要：隨著工程實(shí)際對(duì)機(jī)械及其零件要求的提高，以及材料科學(xué)的不斷發(fā)展，機(jī)械材料的類型變得多種多樣，機(jī)械材料的選用原則也變得越來越嚴(yán)格，材料的合理選擇愈來愈成為提高機(jī)械零部件質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要手段和途徑。本文主要分析機(jī)械零部件材料的現(xiàn)有類型，及工程實(shí)際選用的一般原則。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；材料；分類；選用

現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，機(jī)械工程設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨于智能化和信息化，而其對(duì)工程材料的發(fā)展要求也越來越高，可以毫不夸張的說工程材料的發(fā)展是工程機(jī)械發(fā)展中的最重要的因素和組成部分。因此，正確認(rèn)識(shí)機(jī)械零部件材料的現(xiàn)有類型及其發(fā)展趨勢(shì)，掌握機(jī)械零件材料的選擇原則，對(duì)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展有著長(zhǎng)足的重要影響。

1 機(jī)械零部件材料的現(xiàn)有類型和特點(diǎn)

目前，機(jī)械零部件材料主要有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料三大類。其中，常見金屬材料主要分為黑色金屬和有色金屬，黑色金屬即鐵碳合金包括鋼和鑄鐵，鋼又分為碳鋼和合金鋼，鑄鐵有白口、灰口、麻口鑄鐵。非金屬材料主要分為有機(jī)高分子材料和無機(jī)非金屬材料，有機(jī)高分子材料主要有塑料、橡膠、纖維等，無機(jī)材料主要有陶瓷、玻璃等。復(fù)合材料主要分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料等。

金屬材料是各類工程材料中使用最廣的，占90%以上。這其中，鋼鐵尤其使用最多，這是由于它具有良好的物理力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性等），而且使用成本低廉、較易獲取、能滿足多種性能和用途的要求，常用于制造重要零件。除鋼鐵以外的有色金屬中，鋁和銅及其合金由于質(zhì)量小、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較多。

無機(jī)高分子材料按特性通常分為塑料、橡膠和纖維等。高分子材料的原料豐富，獲取能耗低，成形和加工容易，密度小，比強(qiáng)度高，耐蝕性好，有良好的電絕緣和熱絕緣性，在適當(dāng)范圍內(nèi)有較好的彈性。但它也有強(qiáng)度和硬度較低、易老化、阻燃性和耐熱性差、工作溫度低等缺點(diǎn)。近年來，高分子材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，并占有越來越重要的地位。

陶瓷是無機(jī)非金屬材料。作為工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料，主要有高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和刀具結(jié)構(gòu)陶瓷，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的主要成分為Si3N4和SiC，刀具結(jié)構(gòu)陶瓷主要成分為Al2O3。陶瓷材料的特點(diǎn)是熔點(diǎn)、硬度和化學(xué)穩(wěn)點(diǎn)性很高，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣性好等特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是比較脆，斷裂韌度低，價(jià)格高，加工工藝性差。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物質(zhì)經(jīng)人工組成的兼有各組成物優(yōu)良性能的新型工程材料。一般由基體和增強(qiáng)材料兩部分組成，也可由基體和其他功能的材料組成。復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的強(qiáng)度和彈性模量，質(zhì)量較輕，但也有耐熱性差、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性差、價(jià)格貴等缺點(diǎn)。目前，復(fù)合材料主要用于航空航天等高科技領(lǐng)域，民用產(chǎn)品應(yīng)用較少。

2 機(jī)械零部件材料的選用原則

在機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)與制造過程中，合理地選擇和使用材料是一項(xiàng)重要的工作。材料選擇不當(dāng)會(huì)使得加工困難，降低生產(chǎn)率，增加生產(chǎn)成本，影響機(jī)械零部件的質(zhì)量，進(jìn)而影響零部件的使用壽命，易引起設(shè)備損壞和造成人身安全。由于金屬材料占總使用量的90%以上，這里以金屬材料為主，討論選材的一般原則。

一般而言，機(jī)械零部件材料的選用考慮如下三條原則。

材料的使用性能。材料的使用性能是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件，是選材的首要考慮問題。對(duì)一般機(jī)械零部件，主要包括零部件在工作或使用過程中所受的載荷、應(yīng)力，所處環(huán)境特點(diǎn)，工作溫度的高低和摩擦磨損的程度等。脆性材料原則上只適用于制造靜載荷下工作的零件，在有沖擊的場(chǎng)合則適用塑性材料。在濕熱環(huán)境下工作的零部件，材料應(yīng)有較好的防銹和耐腐蝕能力。工作溫度的提高會(huì)影響兩配合零件的配合關(guān)系，改變材料的力學(xué)性能。對(duì)于摩擦磨損嚴(yán)重的零件部位，應(yīng)提高其表面質(zhì)量，增強(qiáng)耐磨性。

材料的工藝性能。不同形式結(jié)構(gòu)，采用不同的方法制造，不同的制造方法則要求選用不同的材料。用鑄造材料制造毛坯時(shí)，一般不受零件尺寸及質(zhì)量的限制，而用鍛造材料制造毛坯時(shí)，則須注意設(shè)備的生產(chǎn)能力和零件尺寸質(zhì)量。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件宜用鑄造毛坯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件可用鍛造法制毛坯。另外，還應(yīng)考慮材料的加工可能性，選擇合適的鑄造材料、鍛造材料、焊接材料、適合熱處理的材料或適合冷加工的材料等。

材料的經(jīng)濟(jì)性。零件的總成本包括材料的價(jià)格和利用率、加工費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、安裝費(fèi)用及其他一切費(fèi)用等。在保證使用與制造工藝要求的前提下，應(yīng)選用價(jià)格低的材料；考慮材料來源供應(yīng)問題，在同一產(chǎn)品中，選用材料的種類、價(jià)格應(yīng)盡量少和集中；選材時(shí)不能只考慮材料的價(jià)格而忽視零件的使用壽命；材料的工藝性對(duì)生產(chǎn)成本有一定影響，工藝性差的材料不僅加工困難，技術(shù)措施難以達(dá)到要求，而且廢品率高，生產(chǎn)成本高。

3 結(jié)語

機(jī)械材料的分類多種多樣，新型材料也層出不窮，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該多多了解各種工程材料的優(yōu)缺點(diǎn)，全面了解國(guó)內(nèi)資源條件、生產(chǎn)情況、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)際情況出發(fā)，全面考慮使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等方面問題，合理地選用材料。

參考文獻(xiàn)

[1]陳培里.工程材料及熱加工.高等教育出版社.2007

[2]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社.2013