金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展速度也十分驚人，金屬材料也是機(jī)械制造業(yè)中不可忽略的部分，本文主要研究金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

　　《機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量》(月刊)創(chuàng)刊于1976年，由機(jī)械科學(xué)研究總院、中國機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)主辦。本刊是機(jī)械行業(yè)唯一的在全國公開發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量方面的宣傳媒體。辦刊宗旨：宣傳報(bào)導(dǎo)國家關(guān)于機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量工作的方針政策及相關(guān)法規(guī)，介紹國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理的先進(jìn)方法和經(jīng)驗(yàn)，介紹最新標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)企業(yè)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益，是深受標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量工作者歡迎的科技期刊。

　　在我國城市化建設(shè)過程中，機(jī)械制造行業(yè)在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著越來越重要的地位。各行各業(yè)對(duì)機(jī)械的需求越來越多，機(jī)械行業(yè)的發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。所有的金屬材料均有其優(yōu)缺點(diǎn)，不可能同時(shí)在各個(gè)方面均具有優(yōu)良的性能。在設(shè)計(jì)過程中，金屬材料的選擇就是根據(jù)其自身的特性揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到最佳的使用效果。材料的選擇對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展具有直接的影響。而隨著經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，對(duì)機(jī)械的需求量也大大增加，機(jī)械加工更是面臨著材料短缺的危機(jī)。面對(duì)這些現(xiàn)象，在進(jìn)行材料選擇時(shí)，必須要保證材料的強(qiáng)實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，只有保證選擇金屬材料的正確選擇，才能保證機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)健康的發(fā)展。

　　1金屬材料的發(fā)展

　　金屬材料是指由金屬元素或金屬元素為主要構(gòu)成的具有金屬特性的材料統(tǒng)稱[1]，包括純金屬、合金、金屬間化合物和特殊材料等，金屬材料通常被分為黑色金屬(鋼鐵材料)、有色金屬、特種金屬。隨著材料設(shè)計(jì)、加工技術(shù)及使用性能試驗(yàn)的進(jìn)步，金屬材料已經(jīng)從純金屬、純合金中擺脫出來，人們開發(fā)出了新的高性能金屬材料。例如有序金屬間化合物、機(jī)械合金化合金、定向凝固柱晶和單晶合金、釹鐵硼永磁合金等新型材料。這些材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

　　2機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇的原則

　　材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。在材料選擇時(shí)必須按照一定原則進(jìn)行。

　　2.1考慮材料的載荷以及應(yīng)力

　　機(jī)械設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)金屬材料的荷載水平進(jìn)行選擇。荷載水平較低可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械后期的使用受抑制或失效的情況，不能發(fā)揮出機(jī)械零件應(yīng)有的作用。由于各種金屬材料的脆性和塑性不同，脆性材料多用于靜載荷下工作，而塑性材料大多用于沖擊荷載情況下。設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)材料荷載進(jìn)行和在評(píng)估，優(yōu)選荷載較高的材料。另外，如有需要可以對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)、滲碳、氮化技術(shù)等處理[2]。

　　2.2考慮零件的工作環(huán)境

　　第一，考慮溫度的影響，由于金屬熱脹冷縮的特性，溫度對(duì)金屬材料會(huì)有影響，但是不同材料的膨脹系數(shù)是不同的，在溫度變化時(shí)，材料體積隨之變化程度不同，導(dǎo)致材料松動(dòng)。在選擇材料時(shí)，必須選擇膨脹系數(shù)較少的材料，且膨脹系數(shù)相差不宜過大。第二，考慮環(huán)境濕度和腐蝕性，有些零件必須處于潮濕環(huán)境和與腐蝕性介質(zhì)接觸的環(huán)境，這時(shí)應(yīng)該選擇具有良好的防銹抗腐蝕的金屬材料。第三，考慮材料耐磨性，機(jī)械作業(yè)過程中會(huì)發(fā)生零件磨損現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)選擇硬度大，耐磨性好的金屬材料，或者通過堆焊、焊接、熱噴涂等提高機(jī)械零件的耐磨性[3]。

　　2.3零件的加工工藝及可實(shí)現(xiàn)性

　　在機(jī)械設(shè)計(jì)到完成產(chǎn)品過程中可能會(huì)經(jīng)過切割、焊接、拼接等多種工藝[4]。如果材料既易獲取又易于進(jìn)行工業(yè)批量加工，還能夠保證產(chǎn)品性能，則在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中則應(yīng)優(yōu)選該種金屬材料。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，必須考慮零件的加工工藝和可實(shí)現(xiàn)性。

　　2.4失效性

　　任何機(jī)械零件在使用過程中，經(jīng)過一段時(shí)間均會(huì)產(chǎn)生一定的損壞，使其達(dá)不到預(yù)期要求或損壞。在進(jìn)行材料選擇時(shí)，考慮到金屬材料制作的零件的時(shí)效性，通過實(shí)驗(yàn)選擇合適的材料[5]。

　　2.5材料的經(jīng)濟(jì)性

　　在機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行成本核算，在保證其機(jī)械性能同時(shí)，選用價(jià)格比較低廉、加工工藝成本低的材料。且所選用的材料供應(yīng)量大，獲得方便。

　　2.6材料無害化

　　在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中盡量不選擇含有鎳、鉛、鉻等元素的金屬材料，這些金屬元素會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。在材料加工過程中，其廢棄物排放后會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，直接或經(jīng)過在生物體內(nèi)積累對(duì)人體產(chǎn)生影響，因此在選擇金屬材料時(shí)，一定要謹(jǐn)慎選擇。

　　2.7材料的可循環(huán)使用性

　　機(jī)械設(shè)計(jì)中，為了使金屬材料性能達(dá)到預(yù)期效果，需將若干種金屬混合為合金使用。這種合金材料相對(duì)于純金屬材料回收難度大大提高增加了回收成本。一旦機(jī)械報(bào)廢，金屬材料難以回收。為了實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，在選擇金屬材料時(shí)，盡量選擇單個(gè)的合金，而且合金的組成元素種類越少越好。

　　3金屬材料應(yīng)用注意事項(xiàng)

　　3.1選材時(shí)應(yīng)注意其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

　　機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇和應(yīng)用屬于重點(diǎn)內(nèi)容。機(jī)械設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品須滿足實(shí)用性的要求，這主要由材料的使用和加工工藝決定。首先，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)者來說，在選擇加工工藝之前需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，對(duì)市場(chǎng)上各個(gè)材料的加工工藝、材料性能、材料價(jià)格、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可能性等進(jìn)行整理分析。其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)先確定加工工藝，再進(jìn)行金屬材料的選擇，保證生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)用性。金屬設(shè)備的生產(chǎn)涉及鑄造、生產(chǎn)、裝配以及焊接等加工工藝，不同工藝對(duì)材料的要求不同，加工工藝確定后，材料選擇就會(huì)受到限制。例如采用鑄造工藝時(shí)，需要使用具有良好流動(dòng)性、收縮性、偏折性的材料;采用鍛造工藝，需要選擇抗沖擊性強(qiáng)、可鍛性高、有良好的冷鐓性和斷后冷卻性的材料。最后，考慮技術(shù)材料自身的性能是否符合設(shè)計(jì)要求。由于碳素鋼或合金鋼材料具有良好的加工性能，價(jià)格適中、性價(jià)比較高，是機(jī)械設(shè)計(jì)中較常用的金屬材料之一。由于碳素鋼韌性不足，有些中等型材不能夠直接加工。為了提高其實(shí)用性，可以通過加入適宜成分制造成具有耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫性強(qiáng)的合金鋼。另外，金屬材料選擇時(shí)應(yīng)盡量考慮到材料的經(jīng)濟(jì)性。選用價(jià)格便宜、各項(xiàng)成本較低、加工工藝成熟、適用性廣的材料。

　　3.2選材時(shí)應(yīng)注意節(jié)能性和環(huán)保性

　　機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要堅(jiān)持低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的原則。首先，材料選擇時(shí)，應(yīng)選擇加工工藝成熟、污染少、能耗低的金屬材料，降低對(duì)環(huán)境的污染和能源的消耗;其次，選擇材料時(shí)，考慮其可回收性，減少機(jī)械產(chǎn)品中所用金屬材料的種類，優(yōu)先考慮可回收、可再生、易降解的材料，避免資源的浪費(fèi);再次，選擇材料時(shí)注意材料的失效性，選擇符合設(shè)計(jì)要求的、失效時(shí)間鄰近的金屬材料，提高材料的利用率，避免資源的浪費(fèi);最后，無害化也是金屬材料選擇必須要注意的問題之一。金屬合金制作加工過程中會(huì)產(chǎn)生有害廢物，選擇危害性小或?qū)ふ倚滦蜔o害的材料替代原材料，降低材料加工廢物對(duì)環(huán)境和人體的毒害作用。