徐進(jìn)　閆建華（國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

機(jī)械設(shè)計中材料的選擇及其應(yīng)用

徐進(jìn)閆建華
（國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對機(jī)械設(shè)計材料的選擇和應(yīng)用的要求也越來越高，節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)以及機(jī)械設(shè)計的適用性和經(jīng)濟(jì)性成為機(jī)械設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的必然選擇，成為廣大機(jī)械設(shè)計技術(shù)人員和所有從業(yè)人員必須面對并加以解決的問題。本文簡述了關(guān)于機(jī)械設(shè)計的材料選擇和應(yīng)用的重要意義，對機(jī)械設(shè)計材料的特點和選擇進(jìn)行了分析。

機(jī)械設(shè)計 材料選擇 應(yīng)用

在城市化建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的背景作用下，機(jī)械行業(yè)在整個國民經(jīng)濟(jì)中所占的地位日益關(guān)鍵。材料又是關(guān)系到機(jī)械成本和機(jī)械使用過程中非常關(guān)鍵的因素，材料的重量幾乎占到了機(jī)械設(shè)備的全部重量，因此材料成本占到機(jī)械設(shè)備制造成本的50%或更高。較好的材料不僅能夠延長機(jī)械的使用壽命，而且能夠有效的提高機(jī)械使用的效率。

1　機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇與應(yīng)用的重要意義

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，機(jī)械作為城市建設(shè)的主要力量，機(jī)械行業(yè)的發(fā)展也得到越來越多的關(guān)注。而機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用作為機(jī)械行業(yè)中的基礎(chǔ)工作內(nèi)容，對于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。而對機(jī)械設(shè)計中的材料選擇和應(yīng)用問題展開的研究，對于促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展有著重要的意義。隨著機(jī)械設(shè)備需求量的增加，使得我國的機(jī)械材料出現(xiàn)了嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象。整個機(jī)械生產(chǎn)與加工行業(yè)也面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，一些機(jī)械設(shè)計中重要的資源已經(jīng)變得越來越少，原材料日益稀缺，使得機(jī)械制造的材料成本增高，進(jìn)一步壓縮了應(yīng)用空間，所以，機(jī)械設(shè)計工作必需的材料日益增長的需求與各種原材料稀缺之間的矛盾日益突出于激化，針對這種現(xiàn)象，就要重視機(jī)械的選擇工作，在選擇機(jī)械材料時不僅要選擇實用性強(qiáng)的材料，在選材的過程中還要選擇材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。只有選擇良好的機(jī)械材料，才能保證機(jī)械設(shè)計行業(yè)的正常發(fā)展。因此，相關(guān)工作人員需要在確保機(jī)械設(shè)計材料滿足機(jī)械施工作業(yè)基本需求的基礎(chǔ)之上，做到使機(jī)械設(shè)計整體能滿足經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求。

2　機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇工作的注意要點

材料的選擇直接關(guān)系到整個機(jī)械設(shè)計工作的質(zhì)量，在整個機(jī)械設(shè)計的材料中，要注意以下幾個方面：

2.1機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用的實用性

堅持實用性的原則材料選擇的實用性是機(jī)械設(shè)計選材的首要要求，這是保證材料性能和質(zhì)量的根本。機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用要針對機(jī)械零件的制造工藝進(jìn)行合理設(shè)計，鑄造工藝、鍛造工藝、焊接工藝、切削加工工藝、粘結(jié)固化工藝、熱處理工藝等對機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用的要求各不相同，鑄造工藝對材料有收縮性、流動性、偏折性、吸氣性及熱裂傾向性的要求，鍛造工藝對材料有鍛后冷卻、沖壓性、可鍛性及冷鐓性的要求，焊接工藝對材料有焊接接頭的使用性能及敏感性要求，切削加工工藝對材料有接受切削加工的要求，粘結(jié)固化工藝對材料有粘結(jié)固化性的要求，熱處理工藝對材料有氧化脫碳傾向、回火脆性傾向、過熱敏感性、淬透性及變形開裂傾向的要求。只有達(dá)到了這些要求，才能將原材料合格加工成機(jī)械零部件，并以這些零部件為基礎(chǔ)，制造出機(jī)械設(shè)備。堅持根據(jù)不同零部件的不同要求來進(jìn)行材料的選擇，準(zhǔn)確的判斷零部件對材料的要求，是實現(xiàn)實用性選材的保證。

2.2機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

除了實用性能外，經(jīng)濟(jì)性也是選材必須考慮的重要問題。選材的經(jīng)濟(jì)性不單是指選用的材料本身價格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選材料來制造零件時，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時所選材料應(yīng)符合國家的資源情況和供應(yīng)情況，等等。不同材料的價格差異很大，而且在不斷變動，因此設(shè)計人員應(yīng)對材料的市場價格有所了解，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。當(dāng)用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應(yīng)該選擇價格高的材料。這對于大批量制造的零件尤為重要。材料的加工費也要節(jié)省，例如制造某些箱體類零件，雖然鑄鐵比鋼板廉價，但在批量小時，選用鋼板焊接比較有利，因此可以省掉鑄鐵的生產(chǎn)費用。提高材料的利用率，如采用無切削或者少切削毛坯（如精鑄，模鍛，冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。節(jié)約稀有材料例如鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦，用錳硼系合金鋼代替鎳系合金鋼。另外在材料的供應(yīng)中，對于小批量的零件應(yīng)盡量減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。

2.3機(jī)械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)重視綠色環(huán)保

目前，環(huán)境已成為全球關(guān)注的大問題。地球溫暖化，臭氧層破壞，酸雨，固體垃圾，資源、能源的枯竭，等等，環(huán)境惡化不僅阻礙生產(chǎn)發(fā)展，甚至危及人類的生存。因此，人們在發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的同時，必須考慮環(huán)境保護(hù)問題，力求做到與環(huán)境相宜，對環(huán)境友好。這就需要選擇低能耗、低成本、高效率、污染少的材料應(yīng)當(dāng)成為機(jī)械設(shè)計中選擇和應(yīng)用材料的主力軍。還要從循環(huán)利用的角度去選擇材料，減少不必要的能源耗費，多采用一些合金系列的材料來制作零部件，合金系的組元越少，環(huán)境承載的壓力也會減少，合金的循環(huán)利用的性能就會相應(yīng)的提升。節(jié)能環(huán)保材料的運用，不僅能降低能源的消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且還能夠最大限度地符合機(jī)械設(shè)計中材料應(yīng)用的環(huán)保性要求。

2.4機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用中要堅決貫徹可持續(xù)發(fā)展觀

在機(jī)械制造領(lǐng)域中，金屬材料的種類非常多，鋼材就有100多種，然而在機(jī)械設(shè)計中，由于不同種類的材料都堆放在了一起，很難對材料進(jìn)行分類，進(jìn)而加大了回收利用的難度。因此機(jī)械設(shè)計的材料選擇過程中，為了便于循環(huán)利用，可以選擇一些單一的合金系制作零部件，因為合金系的構(gòu)成元件比較少，對環(huán)境的壓力也較小，所以能有效提高對合金的回收和循環(huán)利用效率。

在機(jī)械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，可以使材料的選擇和應(yīng)用達(dá)到最佳效果，有效整合機(jī)械設(shè)計和原材料資源，有利于充分挖掘材料的潛力，為機(jī)械設(shè)計材料選擇和應(yīng)用的全面、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.5 要考慮載荷應(yīng)力大小和性質(zhì)

在機(jī)械設(shè)計過程中，通常機(jī)械材料的外載荷性能容易導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計的部分元件失效，而機(jī)械的零部件所具備的性能卻能有效的防止這種零件的失效，由于失效零部件性能與材料的外載荷性能的大小作為機(jī)械選材的標(biāo)準(zhǔn)。

這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點來考慮，用在充分了解材料的力學(xué)性能的前提下來進(jìn)行選擇。如：①在選材的過程中。如果選擇的材料需要承受這種荷載力的作用，可以用中碳鋼調(diào)質(zhì)或者低碳鋼滲碳的工藝對進(jìn)行加工。②對于單純承受壓縮或拉伸力的部件材料，要選擇性能分布更加均勻的材料如彈簧鋼或?qū)Φ吞间撘源慊饛?qiáng)韌化的處理。

3　機(jī)械設(shè)計選材的應(yīng)用的技術(shù)手段

（1）調(diào)質(zhì)工藝以及有關(guān)設(shè)計應(yīng)用分析。熱處理技術(shù)是現(xiàn)在最為常見的調(diào)質(zhì)技術(shù)，機(jī)械設(shè)計中的大多數(shù)零部件都可以通過調(diào)質(zhì)技術(shù)來進(jìn)行處理，其效果就是可以有效的提高材料的綜合性能，提高材料的拉升強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度，讓材料更具強(qiáng)度和可塑性，就可以讓零件在設(shè)計中使用更小的截面從而有效的減小整個機(jī)械設(shè)別的重量和節(jié)省機(jī)械空間。一個零部件是否需要調(diào)質(zhì)處理時要根據(jù)零件的強(qiáng)度做出判斷的，并不是所以的零件都需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)。

調(diào)質(zhì)的過程是淬火加高溫回火，首先需要將零件加熱到一定的溫度，保溫一段時間后放入油中或水中冷卻，冷卻后立即進(jìn)行回火，以降低淬火應(yīng)力，調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)成分，從而達(dá)到機(jī)械要求的性能標(biāo)準(zhǔn)。回火溫度的制定是根據(jù)材料的硬度和性能的高低來決定的，硬度和強(qiáng)度越高，回火的溫度越低。調(diào)質(zhì)后的任何高于回火溫度的加熱，都將降低以達(dá)到的強(qiáng)度。因此，一定要根據(jù)實際的需要來確定是否應(yīng)該選擇調(diào)質(zhì)工藝，而且設(shè)計時必須先在圖紙上明確標(biāo)注調(diào)質(zhì)的強(qiáng)度或機(jī)械性能的值。選擇調(diào)質(zhì)處理材料時一般需要注意以下幾點：第一，圖紙中應(yīng)注明調(diào)質(zhì)，若只是注明熱處理的話，很多廠家可能會采用其他的熱處理辦法進(jìn)行處理，如正回火處理。但正回火處理所達(dá)到的相同硬度材料，其屈服強(qiáng)度和沖擊功會小得多，在實際的工作中足零部件過早斷裂。第二，調(diào)質(zhì)的范圍和硬度要按照材料的標(biāo)準(zhǔn)選擇，這有利于工廠配爐生產(chǎn)。第三，硬度和其要求的強(qiáng)度要相適應(yīng)。設(shè)計師在工作中必須注意，圖紙中要求的強(qiáng)度要與硬度相互匹配，否則難以同時滿足。在我國的國家標(biāo)準(zhǔn)以及內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都有專門的對照表來進(jìn)行參考。

（2）滲碳處理滲碳處理是常用的表面硬化處理工藝，是指在滲碳爐中將低碳鋼表面的碳含量增加至規(guī)定范圍然后進(jìn)行淬火，是表面的硬度達(dá)到設(shè)計的要求，然后再進(jìn)行低溫回火以消除應(yīng)力和穩(wěn)定組織。滲碳工藝采用的是專業(yè)的滲碳鋼，設(shè)計時可根據(jù)工件的具體情況來選擇材料和滲碳的深度，以達(dá)到最好的效果和節(jié)約成本。氮化處理技術(shù)的最大優(yōu)勢在就在熱處理中變形較小并且硬化層較小，特別是用于和調(diào)質(zhì)技術(shù)結(jié)合來使用，可以有效的提高技術(shù)的強(qiáng)度以及耐磨性。

（3）氮化處理原則上來說，任何的鋼材都需要進(jìn)行氮化處理，但在實際工作中最常用的氮化鋼是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化爐內(nèi)進(jìn)行的，具有變形小的優(yōu)點。氮化后一般可不加，氮化的硬度根據(jù)材質(zhì)而定，在設(shè)計時盡量采用整體氮化的處理，對必修進(jìn)行局部氮化的零部件要做局部保護(hù)，淡化后處理到不需要氮化部位的保護(hù)層。此外，氮化前必須首先對選材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做準(zhǔn)備。氮化工藝的熱處理變形小，硬化層淺，特備適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合來提高零部件的強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，適用于在周期載荷下工作的零部件，如軸承等。

（4）表面淬火是成本較低的一種硬處理辦法，工藝簡單，適用于零部件的局部處理，特別是對耐磨性的提高。表面淬火只加熱表面層，心部的強(qiáng)度還保持原來的狀態(tài)。一般包括高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱、噴水冷卻和低溫回火幾個程序。表面淬火后的零部件產(chǎn)生了較多的殘余壓應(yīng)力。

因而使材料的疲勞程度大大提高。設(shè)計時要考慮不可將殘余拉應(yīng)力留在齒根處等零件應(yīng)力集中部位，以免在工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加時造成零件的斷裂。薄板類零件本身容易變形，表面淬火時要考慮應(yīng)力的平衡問題，如將薄板類工件設(shè)計成雙面淬火，是一種行之有效的解決辦法。表面淬火前要先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，一是提高心部的強(qiáng)度，另一方面也是可以減少淬火帶來的變形和裂紋傾向。

4　結(jié)語

綜上，材料的運用是關(guān)系到機(jī)械是否正常使用的關(guān)鍵，在整個機(jī)械設(shè)計過程中占據(jù)著重要的地位，對提高機(jī)械設(shè)計的水平，保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量以及推動整個設(shè)計行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。因此，在保證機(jī)器正常的剛度強(qiáng)度下，節(jié)約材料，環(huán)保節(jié)能，提高機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，實用性成為了本行業(yè)研究的重點，進(jìn)而全面促進(jìn)我國機(jī)械設(shè)計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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徐進(jìn)（1986—），女，漢族，安徽淮北人，畢業(yè)于西南大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士。主要從事機(jī)械設(shè)計中材料應(yīng)用與電力設(shè)備三防工藝方面的研究；閆建華（1980—），男，漢族，河南許昌人，畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士，工程師?，F(xiàn)在國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計工作。