□郭 偉

天津第二鍛壓機床廠天津300402

機械設(shè)計中工程材料的選擇與應(yīng)用要點

□郭 偉

天津第二鍛壓機床廠天津300402

以機械設(shè)計中的材料為主要研究對象，立足于材料選擇和應(yīng)用的實際情況，貫徹可持續(xù)發(fā)展觀等觀點，從材料選擇的意義與原則兩方面入手，進行了詳細分析和闡述，論證了機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用對機械生產(chǎn)、加工、節(jié)能減排、綠色環(huán)保起到的重要作用。

在制造業(yè)中，機械設(shè)計是一個重要課題，無論是經(jīng)典設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計還是理論設(shè)計都離不開材料。新模式、新技術(shù)、新理念、新工藝、新方法的不斷涌現(xiàn)，對機械制造技術(shù)裝備提出了更高的要求，而材料選擇和工藝制定則是實現(xiàn)這些要求的基礎(chǔ)和前提。轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，機械行業(yè)也不例外，綠色設(shè)計、綠色加工、綠色制造對材料的選擇提出了新的要求。

1 機械設(shè)計中工程材料選擇的意義

在機械制造、交通運輸、國防、日常生活等各個領(lǐng)域都大量用到工程材料，生產(chǎn)實踐中往往由于選材不當造成了產(chǎn)品早期失效，因此，如何合理地選擇和使用材料是一項十分重要的工作。了解和熟悉材料性能，并合理選材是充分發(fā)揮工程材料內(nèi)在潛力的重要前提，下面簡要介紹機械零件選材的要點[1]。

2 選材的一般原則

選材的總原則是：首先，保證機械零件的使用性能，使用性能是指材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能，包括力學性能、物理性能、化學性能等；然后，考慮工藝性能，工藝性能是指材料對各種加工工藝的適應(yīng)能力，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能等；最后，考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性等。

2.1 材料的使用性原則[2]

在選擇材料時，必須根據(jù)零件在整機中的作用，以及零件的尺寸、形狀、受力情況等，提出材料應(yīng)具備的力學性能指標，一般應(yīng)注意以下幾點。

（1）零件的使用條件和失效形式。分析機械零件在產(chǎn)品中的受力狀況，即承受怎樣的載荷，包括拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等，還需要考慮載荷的性質(zhì)，如靜載荷、沖擊載荷、變載荷等。此外，零件的使用環(huán)境，如溫度和介質(zhì)等，以及如電導(dǎo)性、絕緣性、磁性、熱導(dǎo)性等特殊要求也需要考慮。分析零件的失效形式，即零件在使用過程中會因某種性能不足而出現(xiàn)相應(yīng)形式的失效?？筛鶕?jù)零件的失效形式，分析得出起主導(dǎo)作用的使用性能，并以此作為選材的主要依據(jù)。例如，長期以來人們認為曲軸主要承受高沖擊力和大磨損，但失效分析結(jié)果表明，曲軸破壞主要是疲勞失效，所以，以疲勞強度作為主要設(shè)計依據(jù)，其質(zhì)量和壽命會有很大提高。

（2）確定使用性能指標和數(shù)值。通過對零件失效形式的分析，確定零件對使用性能的要求后，進一步轉(zhuǎn)化為實驗室性能指標和數(shù)值，這是選材極其重要的步驟。

（3）根據(jù)力學性能選材應(yīng)注意的問題。在零件所要求的力學性能指標和數(shù)值確定后便可進行選材，適當應(yīng)用強化的方法來充分發(fā)揮材料潛力，選材時將材料與強化兩者結(jié)合起來綜合考慮，同時注意正確使用手冊和相關(guān)資料，特別是注意手冊中數(shù)據(jù)的測定條件。正確使用硬度指標，設(shè)計中常用硬度作為控制材料性能的指標，在技術(shù)條件中常用硬度來表明對零件力學性能的要求，但硬度指標有其局限性，因此在設(shè)計中提出硬度值的同時，還要對熱處理工藝做出明確規(guī)定，對某些重要零件還要規(guī)定其它力學性能要求。

2.2 材料的工藝性原則

零件都是由不同的工程材料經(jīng)過一定的加工制造而成的，因此，材料的工藝性能，即加工成合格零件的難易程度，也是選材要考慮的重要問題。選材中，與使用性能相比，工藝性能處于次要地位，但在某些情況下，如批量生產(chǎn)，工藝性能就成為選材考慮的主要依據(jù)。材料的工藝性能好壞對零件加工生產(chǎn)有直接的影響，主要的工藝性能包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削性能和熱處理性能等[3]。

從材料成型工藝角度出發(fā)，如果是鑄件，對材料有收縮性、流動性、偏析性、吸氣性等熱裂傾向性的要求，最好選用共晶成分及其附近的合金。如果是鍛件、沖壓件，對材料有鍛后冷卻、沖壓性、可鍛性和冷鐓性的要求，最好選用固溶體的合金。如果是焊接件，對材料有焊接接頭使用性能及敏感性的要求，最好選用低碳鋼、低合金鋼。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[4]。

對于切削加工件，為了便于切削，希望鋼鐵材料的布氏硬度HBS控制在170～230之間。一般而言，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性較好，力學性能可以滿足一般零件的使用要求，因此碳鋼的用途較廣，但其強度不夠高，淬透性差，所以制造大截面、形狀復(fù)雜和高強度的淬火零件時常選用合金鋼。合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工等工藝性能較差。材料的切削加工性是指在一定的切削條件下材料切削加工的難易程度，通?？捎靡恍┲笜撕饬?，并對顯著反映材料切削加工性的指標用公式和圖表列出，以便做出相應(yīng)的定性分析。

（1）用刀具耐用度衡量。刀具耐用度越高，材料的切削加工性越好，刀具耐用度T為：

式中：CT為使用壽命系數(shù)，與工件材料、刀具和切削條件有關(guān)；vc為切削速度，m/min；f為進給量，mm/r；ap為背吃刀量，mm。

（2）用切削力和切削溫度衡量。在相同切削條件下，切削力大或切削溫度高，則切削加工性差。工件材料的強度、硬度等各項力學指標提高時，產(chǎn)生的切削熱增大，切削溫度升高。工件材料的熱導(dǎo)率越大，通過切屑和工件傳出的熱量也越大，切削溫度下降就越快。圖1列出了4種材料的切削溫度，以便對比[5-6]。

（3）用加工表面質(zhì)量（表面粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力）衡量。表面加工質(zhì)量越好，則切削加工性也越好。

切削硬度低、塑性大的材料，如不銹鋼、低碳鋼，容易產(chǎn)生積屑瘤，影響表面粗糙度，從而影響工件質(zhì)量，使切削加工性變差。

工件材料硬度越低，塑性越大，加工硬化程度和硬化層深度Δhd也越大，切削加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力同樣越大，如圖2所示。

加工硬化程度N為：

式中：H0為基體的顯微維氏硬度；H為硬化層顯微維氏硬度。

圖1 各種材料的切削溫度

圖2 加工硬化與表面深度的關(guān)系

（4）用斷屑性能衡量。在相同切削條件下，所形成的切屑便于清除，則切削加工性好。

2.3 材料的經(jīng)濟性原則[7]

機械設(shè)計和生產(chǎn)過程中，在滿足使用性能和工藝性能的前提下，選材還需要考慮經(jīng)濟性。

（1）盡量降低材料的加工成本。在滿足使用性能和工藝性能的前提下，考慮機械零件的成型方法及最佳加工工藝路線。能用鑄鐵時不用鋼，能用非合金鋼時不用合金鋼，用熱處理強化碳鋼代替合金鋼，能用硅錳鋼時不用鉻鎳鋼，能用型材時不用鍛件、切削加工件，且盡量用加工性能好的材料，能正火使用的零件不必調(diào)質(zhì)處理。材料來源要廣，并考慮材料的再生利用率，盡量選擇符合我國資源條件的材料，不用我國稀缺而需要進口的材料。

（2）采用組合結(jié)構(gòu)。如蝸輪齒圈用耐磨性好的貴金屬，如ZCuSn10Pb1，而其它部分采用鑄鐵等廉價材料。

（3）用非金屬材料代替金屬材料。非金屬材料資源豐富，性能在不斷提升，應(yīng)用范圍不斷擴大，尤其是發(fā)展較快的高分子聚合物、陶瓷、復(fù)合材料等具有優(yōu)異的性能，在某些場合完全可以代替金屬材料，既改善了使用性能，又降低了制造成本和使用維護費用。

（4）降低零件總成本。零件總成本包括原材料價格、零件加工制造費用、管理費用、試驗研究費用和維修費用等，選材時不能一味追求原材料低價而忽視總成本的其它各項。

（5）采用標準化設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。做好設(shè)計階段的標準化工作是降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑，對零件的尺寸結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗方法、設(shè)計方法等制定出共同遵守的標準，從而簡化設(shè)計工作，縮短設(shè)計周期，提高零件的性能和可靠性，加快產(chǎn)品研發(fā)制造周期，降低成本[8]。

3 選材注重綠色環(huán)，同時貫徹可持續(xù)發(fā)展觀

機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用應(yīng)當重視綠色環(huán)保。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，一定程度上會對自然環(huán)境造成破壞，資源的短缺，環(huán)境受到污染，因此，在機械設(shè)計階段，要充分考慮材料選擇和應(yīng)用的環(huán)保問題。數(shù)據(jù)表明，鑄件設(shè)計階段5%的成本，決定著鑄件生產(chǎn)70%～80%的成本。所以在設(shè)計階段注重綠色環(huán)保，可以節(jié)約原材料和成本，減少不必要的資源浪費。同時，機械設(shè)計中選材要注重可持續(xù)發(fā)展，使材料的選擇和應(yīng)用達到最佳效果，有效整合機械設(shè)計和原材料資源，充分挖掘材料的潛力[9-10]。

4 結(jié)束語

社會在發(fā)展，人類在進步，機械制造技術(shù)的發(fā)展?jié)B透在整個人類文明發(fā)展史中，機械產(chǎn)品也越來越先進。為了更好地滿足企業(yè)的發(fā)展需求，機械設(shè)計時對材料的選擇、應(yīng)用和標準化提高到了一個新水平。筆者對機械設(shè)計材料的選擇意義與要點進行了簡要分析和說明，希望能夠為今后工程領(lǐng)域的相關(guān)研究與實踐工作提供一定的參考與幫助[11]。

[1]黃夢奇，王婧.淺談機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用[J].機電信息，2012（6）：133-134.

[2]王杰，程明遠，李士曉.淺談機械設(shè)計加工中應(yīng)注意的幾個問題[J].科技信息，2011（11）:512-513.

[3]楊林保.機械設(shè)計發(fā)展概述[J].鄂州大學學報，1995（1）：13-18.

[4]呂廣蔗，張遠明.工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5]張世昌.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].天津：天津大學出版社，2002.

[6]鄧建新，馮益華，艾興.高速切削刀具材料的發(fā)展、應(yīng)用及展望[J].機械制造，2002,40（1）：11-15.

[7]董剛，李建功，潘鳳章.機械設(shè)計[M].3版，北京：機械工業(yè)出版社,1999.

[8]張世昌.先進制造技術(shù)[M].天津：天津大學出版社，2004.

[9]趙忠國.機械設(shè)計中的材料的選擇和應(yīng)用[J].科技風，2011(17):58.

[10]王世敬，溫筠.現(xiàn)代機械制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].石油機械，2002，30（11）：21-24.

[11]杜君文.機械制造技術(shù)裝備及設(shè)計[M].天津：天津大學出版社，1998.

Took the materials in mechanical design as the main object for study and implemented the viewpoint of sustainable development based on the actual situation in material selection and application.Detailed analysis and elaboration were carried out starting from the two aspects i.e.meaning and principle of material selection.It demonstrated that material selection and application during mechanical design play an important role in mechanical production&processing,energy saving&emission reduction and environmental protection.

機械設(shè)計；材料選擇；應(yīng)用

MechanicalDesign；Stock Option；Application

TH122

B

1672-0555（2016）03-062-04

2016年3月

郭偉（1977—），男，本科，助理工程師，主要從事機械設(shè)計工作