韓小佩

（寶雞西北有色地質(zhì)機(jī)械研究院有限公司，陜西 寶雞 721300）

當(dāng)前我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展速度不斷加快，機(jī)械產(chǎn)業(yè)是我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中非常重要的組成部分，同時(shí)也直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展層次。因此，要想進(jìn)一步推動(dòng)我國工業(yè)化發(fā)展水平，必須要以機(jī)械行業(yè)發(fā)展為金屬，全面提高機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的整體生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。機(jī)械設(shè)計(jì)工作是機(jī)械部件制造工作的首要工作環(huán)節(jié)，同時(shí)也直接關(guān)系到后續(xù)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和使用效果，要想進(jìn)一步提高機(jī)械部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，需要對(duì)金屬材料進(jìn)行合理選擇，有效保證金屬材料質(zhì)量符合機(jī)械產(chǎn)品的使用需求。在金屬材料的選擇和設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，需要充分結(jié)合材料的性質(zhì)、荷載尺寸、質(zhì)量性能等多方面因素來進(jìn)行考慮，進(jìn)一步提高機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)工作質(zhì)量和精度。

1 金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇的原則

1.1 荷載大小

荷載屬于一種物體直接受力的表現(xiàn)方式，主要指的是直接作用在一個(gè)物體之上，使得物體的表面形成一種外部的壓力，不同類型的材料都具有自身的極限荷載，主要表現(xiàn)在材料自身對(duì)外部壓力的最大承受能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中針對(duì)金屬材料的選擇，必須要考慮到不同金屬材料的荷載能力，當(dāng)金屬材料的荷載能力小于外部壓力作用條件下，會(huì)造成金屬材料在使用過程中產(chǎn)生受力變形問題，會(huì)直接造成金屬部件出現(xiàn)破裂和損壞問題。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作金屬的材料選擇工作中，必須要充分考慮到金屬材料的極限荷載能力，并且對(duì)其進(jìn)行全面計(jì)算和分析，從中選擇出最佳的金屬材料來加以使用。

在一些機(jī)械部件的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)金屬原材料的和展能力要求相對(duì)較高。由于金屬荷載屬于直接作用在機(jī)械零部件之上，如果某些部位的荷載能力不足，會(huì)造成零部件的受力變形問題而無法使用。因此，針對(duì)金屬外部荷載能力來講，零部件通過外部受力產(chǎn)生變形問題，零部件內(nèi)部也會(huì)受到相同的反作用力影響，也被稱之為應(yīng)力影響。如果金屬材料的承載能力相對(duì)叫弱金屬材料的質(zhì)量就越低。為了有效提高金屬部件材料的承載能力，需要將一些低碳鋼和中碳鋼滲合理應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，要選擇質(zhì)量更高的碳素鋼和合金鋼進(jìn)行加工和使用，其中碳素鋼的含量需要低于2.2%的碳鋼，其中還需要含有一定量的錳、磷等元素。當(dāng)鋼材料的含碳量較高的情況下碳鋼的硬度會(huì)有所提升，但是材料的延展性和韌性會(huì)有所下降，反之亦然。同時(shí)碳鋼的生產(chǎn)成本相對(duì)較低、性能可靠性更高、可加工性較強(qiáng)，因此在我國機(jī)械加工和設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中運(yùn)用非常普遍。如果碳鋼材料的硬度有所降低，則材料的延展性和韌性會(huì)進(jìn)一步提升，由于這一性質(zhì)因素的影響會(huì)造成碳鋼制造和冶煉過程中會(huì)產(chǎn)生一定的裂痕問題。同時(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)碳鋼材料的使用對(duì)一些零件的精度要求相對(duì)偏低，則需要在碳鋼當(dāng)中加入一定量的合金材料。通過合金鋼材料的使用會(huì)進(jìn)一步提高機(jī)械部件的整體鋼性和韌性程度。通過二者之間的有效對(duì)比合金鋼材料，在強(qiáng)度硬度方面都高于碳鋼，同時(shí)自身的韌性和滲透性能良好，但是合金鋼材料的冶煉工作程序相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求更高，因此在具體的使用過程中所產(chǎn)生的成本量更高[1]。

1.2 金屬的工作環(huán)境

金屬材料在具體的使用工作中，受到外部環(huán)境的影響非常明顯，在不同的工作環(huán)境下金屬材料所展現(xiàn)出的性能和工作優(yōu)勢也各不相同。比如，在一些溫度較高，并且比較潮濕的工作環(huán)境下，一切金屬如果直接暴露在環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行使用，很容易受到環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。因此，對(duì)于這種環(huán)境條件下金屬材料的選擇，必須要選用一些抗腐蝕性能更強(qiáng)的金屬材料，以此來進(jìn)一步提高金屬部件的穩(wěn)定性效果，有效防止金屬部件產(chǎn)生更加嚴(yán)重的腐蝕問題。

1.3 零部件尺寸選擇

在機(jī)械設(shè)計(jì)工作過程中，金屬部件的尺寸大小設(shè)計(jì)是其中非常重要的工作環(huán)節(jié)，尤其針對(duì)一些精密度較高的零件加工，對(duì)金屬部件的精度要求甚至是以納米精度級(jí)別來進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)主要是基于理論角度，對(duì)機(jī)械零部件的尺寸大小進(jìn)行計(jì)算和分析，在實(shí)際的工作過程中加工現(xiàn)場，通常情況下會(huì)產(chǎn)生加工零件無法配套鑲嵌等各種問題，因此在金屬零件尺寸的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，必須要基于實(shí)際加工條件和工作環(huán)境為金屬，對(duì)機(jī)械零部件的尺寸進(jìn)行精確計(jì)算，并不能單純停留在理論計(jì)算的角度上來進(jìn)行分析。在材料的選擇工作方面必須要保證機(jī)械材料性能相同，同時(shí)需要盡可能選擇一些容易進(jìn)行切割的金屬材料，可以對(duì)金屬材料的精度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)金屬材料的處理技術(shù)

2.1 滲碳處理技術(shù)

金屬滲碳處理屬于一種化學(xué)熱處理工藝方法，主要是進(jìn)一步提高金屬材料表面的碳濃度，以此來提高金屬材料的塑性與韌性條件。在金屬部件的設(shè)計(jì)工作過程中，通常很多金屬材料自身的性質(zhì)無法達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)，因此需要通過滲碳處理技術(shù)來加以應(yīng)用。在具體的設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員會(huì)選擇滲碳鋼，有效完成滲碳工作的整個(gè)流程，在設(shè)計(jì)工作中必須要充分結(jié)合金屬材料的加工工藝要求，以及機(jī)械部件自身的使用性質(zhì)與尺寸情況，合理選擇滲碳所需要的濃度和深度大小。比如，針對(duì)一些截面尺寸小于50mm的工件，則可以使用20Cr材料對(duì)其進(jìn)行滲碳處理，而對(duì)于一些截面尺寸范圍在50mm～150mm之間的機(jī)械附件，則可以使用20CrMnTi材料對(duì)其進(jìn)行滲碳處理。對(duì)于金屬的滲碳處理工作而言，并不是碳濃度越高越好，由于在金屬部件的滲碳處理工作中會(huì)消耗一定量的經(jīng)濟(jì)成本，在機(jī)械部件的塑形和韌性值達(dá)到機(jī)械部件的標(biāo)準(zhǔn)使用要求時(shí)，則不需要對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)審判處理，防止出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)問題[2]。

2.2 氮化處理

金屬氮化處理屬于一種化學(xué)熱的金屬處理方法，在處理工作中主要是在機(jī)械工件的表面向其中加入氮原子的方法，有效提高技術(shù)部件表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞性等特征。氮化處理技術(shù)比較常用的是氮化鋼，包含45、38Cr MoAl、40Cr等金屬材料，需要在氮化爐設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行加工和處理，對(duì)機(jī)械工件外部形態(tài)的影響相對(duì)較小。在工件的氮化處理工作完成之后則可以繼續(xù)投入使用，無需要二次進(jìn)行測算。由于氮化處理會(huì)改變金屬部件的尺寸大小，因此在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)工作當(dāng)中氮化處理工作，通常情況下必須要充分結(jié)合機(jī)械工件對(duì)其進(jìn)行一次性處理工作，同時(shí)需要通過精密計(jì)算的方法，得出金屬氮化部分的處理面積，對(duì)于一些不需要進(jìn)行氮化處理的金屬區(qū)域，在正式開始大化處理之前需要對(duì)其進(jìn)行有效的防護(hù)，避免再處理工作完成之后進(jìn)行二次加工，不但加大了氮化處理工作的成本費(fèi)用，同時(shí)在整個(gè)操作流程的復(fù)雜程度上更高。

2.3 金屬表面淬火處理

金屬表面淬火屬于一種比較常用且處理流程比較簡單的金屬材料熱處理工作方法。該處理工藝的應(yīng)用比較簡單和靈活，同時(shí)還具有金屬局部位置處理的工作優(yōu)勢。通過金屬表面淬火處理，可以進(jìn)一步提高機(jī)械部件的表面耐磨性，通過機(jī)械部件表面淬火處理之后，金屬材料的疲勞強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提升，但是如果金屬表面淬火區(qū)域的起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置位于殘余拉應(yīng)力的工作狀態(tài)下，會(huì)進(jìn)一步影響到金屬工件表面的疲勞強(qiáng)度。因此，在淬火處理工作當(dāng)中必須要充分遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)工作要求，有效考慮到金屬材料殘余拉應(yīng)力，對(duì)整個(gè)機(jī)械工件使用性能所產(chǎn)生的干擾，有效避免殘余拉應(yīng)力直接停留在金屬部件的齒根位置或者是軸的過度扁角位置。在工件的一些相互連接的關(guān)鍵性部位，通過降低殘余拉應(yīng)力的作用，可能會(huì)對(duì)機(jī)械工件造成一定的損壞，并且對(duì)于一些比較容易出現(xiàn)破壞性問題的細(xì)軸和薄板類的部件影響程度更大。因此，在機(jī)械部件的設(shè)計(jì)工作中，需要充分考慮到表面淬火工作所產(chǎn)生的應(yīng)力平衡問題，可以在淬火工作之前將薄板類工件設(shè)置成雙面結(jié)構(gòu)，可以有效解決由于淬火工作對(duì)工件所產(chǎn)生的變形影響問題[3]。

3 金屬材料的應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1 注意金屬材料的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中對(duì)于金屬材料的選擇是其中非常重要的工作環(huán)節(jié)，對(duì)于金屬材料的選擇不但需要考慮到金屬材料的性能，同時(shí)還必須要滿足材料經(jīng)濟(jì)性要求。首先，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員來講，在選擇金屬材料加工工藝之前，必須要對(duì)切設(shè)及工作的相關(guān)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，對(duì)市場當(dāng)中各種不同類型的材料加工工藝、金屬材料性能材料的實(shí)時(shí)性價(jià)格等情況進(jìn)行全面整理和分析，從中挑選出最有性價(jià)比的金屬材料來加以使用。其次，相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員需要確定金屬加工工藝條件，在進(jìn)行金屬材料的選擇工作中，需要保證生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)用性，金屬設(shè)備的生產(chǎn)主要涉及到了鑄造、裝配、焊接等各種加工工藝流程，因此對(duì)金屬材料的性能提出了不同的要求。在加工工藝充分確定之后，金屬材料的選擇方面會(huì)受到一定的限制和影響。

由于碳素鋼和材料具有較高的材料加工和使用性能，并且材料價(jià)格相對(duì)較低，性價(jià)比更高是機(jī)械設(shè)計(jì)工作中比較常用的金屬材料之一，因?yàn)樘妓劁摬牧系捻g性有所不足，在一些中等型材加工過程中無法對(duì)其進(jìn)行直接加工和處理，因此為了有效提高材料的實(shí)用性，需要在機(jī)械設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，需要通過向其中加入特定的組分，將其制作成耐腐蝕性更高、耐磨性更強(qiáng)以及既有更強(qiáng)的耐高溫性和金剛材料。因此，對(duì)于機(jī)械加工設(shè)計(jì)工作而言，對(duì)金屬材料的選擇必須要考慮到材料的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，需要選擇價(jià)格更加低廉各項(xiàng)加工成本更低，以及加工工藝流程更加成熟的金屬材料。

3.2 注意金屬材料的節(jié)能性與環(huán)保性

在機(jī)械設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，必須要充分堅(jiān)持低碳環(huán)保以及可持續(xù)性發(fā)展路的原則。首先，在金屬材料的選擇工作中，需要盡可能選擇加工工藝更加成熟，對(duì)環(huán)境污染程度較低，以及能耗更低的金屬材料，有效降低對(duì)外部環(huán)境所產(chǎn)生的污染，控制能源的大量消耗；其次，在選擇金屬材料過程中，還需要考慮到金屬材料的循環(huán)使用性能，需要盡可能減少機(jī)械產(chǎn)品當(dāng)中金屬材料的種類，充分考慮到金屬材料的可回收利用性質(zhì)以及選擇易于降解的材料，有效防止資源出現(xiàn)大量浪費(fèi)以及環(huán)境產(chǎn)生污染等問題[4]。最后，在選擇進(jìn)行材料過程中需要充分注意金屬材料所存在的失效性。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作中，需要選擇出符合設(shè)計(jì)工作要求，以及失效時(shí)間相臨近的金屬材料，全面提高金屬材料的使用效率，防止出現(xiàn)資源浪費(fèi)問題。對(duì)于使用完成之后的金屬材料需要有效做好無害化處理，盡可能做到材料的回收循環(huán)使用，避免對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

4 結(jié)語

綜上。金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用非常普遍，在具體的設(shè)計(jì)工作中必須要遵循相應(yīng)的處理事項(xiàng)，根據(jù)不同類型的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)選用相應(yīng)的金屬材料，發(fā)揮出不同金屬材料的優(yōu)勢特點(diǎn)，全面提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的整體質(zhì)量。