試析機械材料的類型及其選用原則

馮廣增

摘 要：隨著工程實際對機械及其零件要求的提高，以及材料科學的不斷發展，機械材料的類型變得多種多樣，機械材料的選用原則也變得越來越嚴格，材料的合理選擇愈來愈成為提高機械零部件質量、降低生產成本的重要手段和途徑。本文主要分析機械零部件材料的現有類型，及工程實際選用的一般原則。

關鍵詞：機械零件；材料；分類；選用

現如今，科學技術發展突飛猛進，機械工程設計與制造的發展趨于智能化和信息化，而其對工程材料的發展要求也越來越高，可以毫不夸張的說工程材料的發展是工程機械發展中的最重要的因素和組成部分。因此，正確認識機械零部件材料的現有類型及其發展趨勢，掌握機械零件材料的選擇原則，對我國機械工業的發展有著長足的重要影響。

1 機械零部件材料的現有類型和特點

目前，機械零部件材料主要有金屬材料、非金屬材料和復合材料三大類。其中，常見金屬材料主要分為黑色金屬和有色金屬，黑色金屬即鐵碳合金包括鋼和鑄鐵，鋼又分為碳鋼和合金鋼，鑄鐵有白口、灰口、麻口鑄鐵。非金屬材料主要分為有機高分子材料和無機非金屬材料，有機高分子材料主要有塑料、橡膠、纖維等，無機材料主要有陶瓷、玻璃等。復合材料主要分為纖維增強復合材料、層狀復合材料和顆粒復合材料等。

金屬材料是各類工程材料中使用最廣的，占90%以上。這其中，鋼鐵尤其使用最多，這是由于它具有良好的物理力學性能（如強度、塑性、韌性等），而且使用成本低廉、較易獲取、能滿足多種性能和用途的要求，常用于制造重要零件。除鋼鐵以外的有色金屬中，鋁和銅及其合金由于質量小、導熱導電性能好等優點應用較多。

無機高分子材料按特性通常分為塑料、橡膠和纖維等。高分子材料的原料豐富，獲取能耗低，成形和加工容易，密度小，比強度高，耐蝕性好，有良好的電絕緣和熱絕緣性，在適當范圍內有較好的彈性。但它也有強度和硬度較低、易老化、阻燃性和耐熱性差、工作溫度低等缺點。近年來，高分子材料在各領域的應用逐漸增多，并占有越來越重要的地位。

陶瓷是無機非金屬材料。作為工程結構陶瓷材料，主要有高溫結構陶瓷和刀具結構陶瓷，高溫結構陶瓷的主要成分為Si3N4和SiC，刀具結構陶瓷主要成分為Al2O3。陶瓷材料的特點是熔點、硬度和化學穩點性很高，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣性好等特點，主要缺點是比較脆，斷裂韌度低，價格高，加工工藝性差。

復合材料是由兩種或兩種以上不同物質經人工組成的兼有各組成物優良性能的新型工程材料。一般由基體和增強材料兩部分組成，也可由基體和其他功能的材料組成。復合材料的主要優點是有較高的強度和彈性模量，質量較輕，但也有耐熱性差、導熱和導電性差、價格貴等缺點。目前，復合材料主要用于航空航天等高科技領域，民用產品應用較少。

2 機械零部件材料的選用原則

在機械零部件的設計與制造過程中，合理地選擇和使用材料是一項重要的工作。材料選擇不當會使得加工困難，降低生產率，增加生產成本，影響機械零部件的質量，進而影響零部件的使用壽命，易引起設備損壞和造成人身安全。由于金屬材料占總使用量的90%以上，這里以金屬材料為主，討論選材的一般原則。

一般而言，機械零部件材料的選用考慮如下三條原則。

材料的使用性能。材料的使用性能是保證零件完成規定功能的必要條件，是選材的首要考慮問題。對一般機械零部件，主要包括零部件在工作或使用過程中所受的載荷、應力，所處環境特點，工作溫度的高低和摩擦磨損的程度等。脆性材料原則上只適用于制造靜載荷下工作的零件，在有沖擊的場合則適用塑性材料。在濕熱環境下工作的零部件，材料應有較好的防銹和耐腐蝕能力。工作溫度的提高會影響兩配合零件的配合關系，改變材料的力學性能。對于摩擦磨損嚴重的零件部位，應提高其表面質量，增強耐磨性。

材料的工藝性能。不同形式結構，采用不同的方法制造，不同的制造方法則要求選用不同的材料。用鑄造材料制造毛坯時，一般不受零件尺寸及質量的限制，而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意設備的生產能力和零件尺寸質量。結構復雜的零件宜用鑄造毛坯，結構簡單的零件可用鍛造法制毛坯。另外，還應考慮材料的加工可能性，選擇合適的鑄造材料、鍛造材料、焊接材料、適合熱處理的材料或適合冷加工的材料等。

材料的經濟性。零件的總成本包括材料的價格和利用率、加工費用、運輸費用、安裝費用及其他一切費用等。在保證使用與制造工藝要求的前提下，應選用價格低的材料；考慮材料來源供應問題，在同一產品中，選用材料的種類、價格應盡量少和集中；選材時不能只考慮材料的價格而忽視零件的使用壽命；材料的工藝性對生產成本有一定影響，工藝性差的材料不僅加工困難，技術措施難以達到要求，而且廢品率高，生產成本高。

3 結語

機械材料的分類多種多樣，新型材料也層出不窮，設計人員應該多多了解各種工程材料的優缺點，全面了解國內資源條件、生產情況、國家標準，從實際情況出發，全面考慮使用性能、工藝性能和經濟性等方面問題，合理地選用材料。

參考文獻

[1]陳培里.工程材料及熱加工.高等教育出版社.2007

[2]濮良貴.機械設計.高等教育出版社.2013