探析機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用

譚龍利+張曠奇

摘 要：現(xiàn)代化和工業(yè)化的發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)提出了更高的要求，從材料的選擇和應(yīng)用上提出了更多要求，在設(shè)計(jì)過程中，必須綜合考慮實(shí)用性、環(huán)保性、荷載能力、可循環(huán)性等因素，選擇合適的材料用于機(jī)械加工中，確保機(jī)械及其零部件的使用性能、質(zhì)量和壽命。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；材料；選擇；應(yīng)用

機(jī)械行業(yè)的發(fā)展是現(xiàn)代化工業(yè)體系創(chuàng)建的重要保障，當(dāng)前機(jī)械需求量增加迅速，對(duì)于質(zhì)量和使用性能的要求也越來越高，材料的選擇和使用成為機(jī)械設(shè)計(jì)所面臨的關(guān)鍵問題。材料作為機(jī)械設(shè)計(jì)的基本元素，其選擇和使用是機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在綜合考慮使用性能、工藝要求、環(huán)保節(jié)能需求以及經(jīng)濟(jì)適用等因素后，選擇和使用最合適的材料用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于機(jī)械使用性能及壽命的提高有重要保障。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中的常用材料

1、金屬材料

金屬材料是機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用最為廣泛的材料，占據(jù)使用量的90%以上。鋼鐵材料由于其韌性、硬度、價(jià)格、能滿足各種加工要求等，成為使用最多的材料，包括金屬元素以及主要由金屬元素組成的呈金屬性的材料。自然界中就能為機(jī)械設(shè)計(jì)提供近80種金屬材料。除純金屬材料外，合金、特種金屬和金屬間化合物材料也屬于金屬材料。合金材料也是使用廣泛的一種材料。合金材料作為兩種及以上金屬材料的混合物，其特性優(yōu)良，提升了機(jī)械使用性能。特種金屬材料以及金屬間化合物材料是科技領(lǐng)域的重要材料。

2、復(fù)合材料

復(fù)合材料是使用化學(xué)或物理技術(shù)把兩種或兩種以上材料復(fù)合后，得到的使用性能較為特定且能滿足多種工藝要求的新材料。復(fù)合材料包含金屬及非金屬材料。金屬材料主要指鋁、鎂以及合金材料等。非金屬材料則主要包括樹脂、橡膠以及陶瓷等。另外還有玻璃纖維、金屬絲以及碳化纖維等增強(qiáng)型材料。

3、高分子材料

高分子材料即將化合物作為基體，為滿足使用要求而在化合物中摻入相應(yīng)的添加劑或助劑，從而形成一種聚合物材料。高分子材料的生產(chǎn)原材極為廣泛，獲取便利，合成纖維、塑料等生活中使用率很高的材料就是高分子材料。這種材料可以從自然界的物質(zhì)中提取，如天然氣等，延展性高、加工能耗低，具備了較強(qiáng)的可再生性及可循環(huán)性。目前，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，高分子材料正逐步代替很多金屬材料，聚甲醛材料的耐磨性，使其代替金屬材料成為齒輪、軸承等機(jī)械零件的使用材料。汽車制造業(yè)是高分子材料的主要使用領(lǐng)域，既減輕了汽車重量，又降低了能耗。

4、陶瓷材料

陶瓷材料就是通過天然化合物或合成化合物，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的非金屬材料。陶瓷材料主要包括氮化硅及碳化硅。因其高硬度特性，被廣泛應(yīng)用于密封零件的設(shè)計(jì)中；其耐磨性和耐腐性是化學(xué)儀器設(shè)計(jì)制造的重要材料；其電物性能應(yīng)用于電容器制造中。納米陶瓷技術(shù)的發(fā)展，使陶瓷材料成為航空航天和衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域的重要材料。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇和應(yīng)用

1、實(shí)用型材料的選擇與應(yīng)用

機(jī)械材料的應(yīng)用要將使用性作為最基本的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)中的零件性能及使用要求選擇材料。此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要依照具體的工藝指標(biāo)進(jìn)行材料加工，對(duì)于材料特性有嚴(yán)格的要求，鑄造、鍛造、焊接、切削、粘接、熱處理等都需要相應(yīng)的材料特性有不同要求，焊接時(shí)需要滿足敏感性及使用性能，鍛造時(shí)則需要材料能夠可鍛性、冷卻度、熱裂傾向性、沖壓性等要求，因此，在選擇和應(yīng)用材料時(shí)，就必須滿足這些工藝的要求，同時(shí)，滿足機(jī)械零件及整體的性能和要求。在滿足工藝和性能要求后，再選擇經(jīng)濟(jì)性較高的材料。

2、荷載型材料的選擇和應(yīng)用

材料的荷載能力對(duì)于機(jī)械零件使用性能及壽命有重要影響，一旦荷載能力不能滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，就可能造成材料的失效或者使用中的機(jī)械零件失效。選擇材料時(shí)，必須確保材料荷載能力能夠滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性選擇更強(qiáng)荷載能力的材料，確保機(jī)械設(shè)計(jì)使用正常。材料荷載能力能夠通過熱處理技術(shù)完善。熱處理技術(shù)主要包括調(diào)質(zhì)、表面硬化以及分析氮化等技術(shù)。調(diào)質(zhì)技術(shù)使用最為廣泛，能夠提升材料屈服度以及拉伸強(qiáng)度，提高材料塑性及強(qiáng)度，在使用調(diào)質(zhì)技術(shù)時(shí)，要注意明確標(biāo)注調(diào)質(zhì)技術(shù)處理，并標(biāo)明調(diào)質(zhì)硬度范圍，確保材料硬度能夠滿足實(shí)際強(qiáng)度的要求。表面硬化技術(shù)是對(duì)金屬材料表面的針對(duì)性處理，主要作用在于提升材料耐蝕性以及耐磨性，其中氮化技術(shù)以及滲碳技術(shù)較為常用。滲碳技術(shù)即通過滲碳爐提高材料表面的碳含量，再經(jīng)過淬火后提升表面硬度，之后通過低溫回火消除應(yīng)力，穩(wěn)定表面組織結(jié)構(gòu)。氮化技術(shù)主要應(yīng)用于氮化鋼的處理，在處理過程中不會(huì)引起較大的材料變形，硬化層也較小，能夠結(jié)合調(diào)質(zhì)技術(shù)使用，提升材料耐磨性及強(qiáng)度。

3、碳素鋼、合金鋼

碳素鋼因其良好的加工工藝性及價(jià)格優(yōu)勢(shì)得到了廣泛使用，但其強(qiáng)度及韌性較差，零件超過中等形狀后就無法進(jìn)行整體淬透，因此一般會(huì)加入一定的合金元素，從而形成合金鋼。合金元素使碳素鋼的強(qiáng)度、韌性、淬透性、耐磨性都得以提高，因此材料性能也有了較大提高，能夠發(fā)揮更好的耐熱、耐腐性、耐蝕性能。一般應(yīng)用于荷載應(yīng)力較大且較復(fù)雜時(shí)?；蛘咴诖慊鸸に囆砸筝^高、防止淬火裂紋或者降低變形時(shí)使用。合金鋼使用的限制，既是為了有針對(duì)性地提高零件質(zhì)量，也是為了減少資源浪費(fèi)。

4、環(huán)保節(jié)能型材料的選擇和應(yīng)用

在材料選擇時(shí)，尤其要注意那些對(duì)環(huán)境有不同程度破壞的材料，如砷、鉛、鋰、六價(jià)鉻等，在滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求的條件下，盡量選擇其他無公害型材料，既減少環(huán)境污染，又有益于人體健康。熱處理技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械材料來提高材料使用性能及壽命，但這種技術(shù)不僅污染環(huán)境，還會(huì)加大能耗，因此，要盡量選擇能夠用熱軋或冷拔狀態(tài)進(jìn)行處理后，就能發(fā)揮使用性能的材料。在不能避免使用熱處理技術(shù)時(shí)，盡量選擇熱處理程序更少的材料，如使用低淬透性鋼制造齒輪時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穿透性加熱，冷卻后，表面就會(huì)淬硬。

5、可循環(huán)利用型材料的選擇和應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)中多使用金屬材料，在設(shè)計(jì)中，對(duì)不同零件往往需要根據(jù)其使用性能綜合使用金屬材料，為滿足零件性能，將這些材料混合加工為合金材料，從而滿足使用需求。這種使用方式對(duì)機(jī)械報(bào)廢后的回收難度和回收成本都有很大的影響。為提高材料報(bào)廢后的廢物資源化，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量選擇可循環(huán)利用的材料，單一合金或者金屬種類較少的合金材料是更科學(xué)的選擇，材料循環(huán)利用的可能性也更高。

3 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用要綜合考慮各種因素，確保機(jī)械設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。還要滿足當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)，確保選材的環(huán)保性、可循環(huán)性、無害性，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉洋君. 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用[J]. 湖南農(nóng)機(jī)， 2012， 39（9）：92-93.

[2]吳宗燁. 芻議機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用[J]. 技術(shù)與市場(chǎng)， 2016， 23（11）：123-123.

[3]胡燁， 賈耀曾. 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用分析[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2016（4）：100-101.

[4]李治. 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用[J]. 大科技， 2015（17）：104-104.

[5]程建磊. 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)， 2016（15）：181-182.