機械設計過程中機械材料的選擇和應用探析

王熙婷

摘 要：材料的選擇與應用是機械設計中的重要內容，其關系著機械產品的性能及使用壽命，尤其是部分機械產品對材料各項參數要求較高，需設計人員綜合分析，保證選擇材料的合理性與科學性。本文對機械材料相關知識作簡單分析，提出機械設計過程中機械材料選擇與應用策略，以供參考。

關鍵詞：機械設計；機械材料；選擇；應用

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A

近年來，我國機械制造業發展迅速，一定程度上推動我國工業化進程。眾所周知，機械制造業涉及諸多環節，其中設計環節決定著機械產品的整個生產過程及生產質量，尤其機械材料的選擇是機械設計的重中之重，受到機械設計業內人士的廣泛關注。

1 機械設計常用材料分析

從大的方面對機械設計中常用材料進行劃分，機械材料分為金屬材料與非金屬材料，其中金屬材料又被分為鑄鐵、鋼、銅合金等，而非金屬分為高分子材料、陶瓷、復合材料等。這些材料在機械設計中之所以廣泛應用，得益于其優良的性能。

1.1 金屬材料

鑄鐵的液態流動性、易熔性良好，并且切削性、耐磨性、減震性符合多數零件生產要求，可被用于制造各種復雜零件。依據鑄鐵中碳的形態及存在形式，鑄鐵分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵，對灰口鑄鐵而言，內部的片狀石墨可對機體產生分割作用，而且可引起應力集中效應，塑性低，鑄造性良好。應用時常用的熱處理方式有表面淬火、高溫退火、去應力退火。球墨鑄鐵較灰口鑄鐵塑性高、強度強，應用中常使用淬火+回火、正火、退火等工藝處理。

鋼在機械設計中應用極為廣泛，依據劃化學成分，鋼分為碳素鋼、合金鋼。其中碳素鋼的優點較多，價格低廉、產量大、工藝性能及力學性能優良。依據含碳量多少，鋼被分為多種類型，見表1。

機械設計中為改善高碳鋼的性能，常向其中加入一些特殊元素，形成合金鋼。研究發現，合金鋼性能除受其化學成分影響外，而且取決于采用的熱處理工藝。

銅合金分為軸承、黃銅、青銅合金等，具有優良的液體流動性與塑性，其中青銅合金的抗腐蝕性、減摩性良好，被廣泛應用在機械設計中。

1.2 非金屬材料

高分子材料中塑料與橡膠是典型代表，在機械設計中應用廣泛，其中塑料重量輕，形成復雜零件的難度較小，而且不同塑料具有的性能不良，如摩擦系數大、絕緣性、耐腐蝕性強等。橡膠富余彈性，能較好地吸收沖擊能量，常用于制造減震器、聯軸器的彈性元件。

陶瓷材料化學性能穩定，高熱硬性強，被用于制造磨具、刀具、燃燒器噴嘴等耐腐蝕、耐磨、耐熱零件，具有廣闊的應用前景。

復合材料有效地克服了高分材料、陶瓷材料的不足，耐磨性、減振性、抗疲勞性強。不過復合材料價格昂貴，多用在武器裝備、船舶、航空等領域中，在民用工業中的應用有限，不過隨著科技發展，復合材料生產成本的下降，在機械設計中的應用前景極其廣闊。

2 機械設計中材料的選擇與應用策略

在對機械設計常用材料知識了解的基礎上，為保證設計的零件滿足要求，機械設計中還需要設計人員做好以下工作：

2.1 明確機械設計要求

為保證機械設計中機械材料選擇的科學、合理，設計人員應明確機械設計要求，把握設計工作的重點與難點，保證設計工作的順利進行，尤其應注意以下問題：

一方面，明確設計零件用途。機械零件用途不同，對零件性能的要求差別較大，直接影響材料的選擇，因此，設計人員應結合零件用途，分析零件所處的運行環境，以及運行中的影響因素，對比分析不同材料的適用性。必要情況下，對零件所處的運行環境進行仿真模擬，掌握零件各種受力參數，選擇針對性機械材料。另一方面，做好材料經濟性分析。不同機械材料不僅性能差別較大，而且價格有較大差異，因此，機械設計中應做好成本的控制，對各待選材料的經濟性進行分析，認真分析零件生產所需工藝，以及在生產中的人力、財力投入情況，確定最佳的機械材料應用方案。

2.2 做好材料性能分析

機械材料性能對機械零件性能及使用壽命造成的影響最為直接，因此，設計過程中應將材料性能分析作為重點工作加以落實，具體可從以下內容入手：

首先，做好物理性能分析。機械材料的物理性能較多，包括導熱性、導電性、熔點和密度等，要求設計人員結合零件所處環境，對比各機械材料的物理性能，尤其應分析制造工藝復雜性情況，確定最佳的機械材料。例如，當機械零件的重量有限制時，可考慮使用鋁、鎂等輕金屬材料。其次，做好化學性能分析。機械材料的化學性能包括化學穩定性、抗氧化性、耐腐蝕性等。例如，部分零件在高溫條件下運行，為延長其使用壽命應考慮使用耐高溫、抗氧化性強的機械材料。最后，做好工藝性能分析。機械材料的工藝性能有：焊接性能、切削性能、鍛造性能等，這些性能決定著零件生產的難易程度，因此，需要設計人員通過試驗確定所用材料，而后組織專家對各材料的可行性進行分析，確定最佳的機械材料選擇方案。

2.3 選優合理處理工藝

機械零件生產時，為提高零件綜合性能往往采用相關工藝進行處理，促進機械生產工作的順利進行，設計人員應分析不同機械材料所用處理工藝的復雜度，確定最佳的處理方案。接下來以鋼材料的熱處理為例進行分析。

鋼熱處理分為普通熱處理、表面熱處理，其中普通熱處理包括退火、正火、淬火等，表面熱處理有滲碳、滲氮、高頻淬火等。如機械材料硬度較大，不利于切削、生產時，需要進行退火處理，以降低材料硬度。與之相反，如想提高機械材料硬度，可對鋼進行正火處理。另外，經退火或正火處理，機械材料硬度、強度應無法滿足設計要求時，此時應考慮使用淬火與回火進行處理，以獲得優異的力學性能，及脆、硬的馬氏體。如需要機械零件表面至心部具有不同的性能時，則需對其進行表面熱處理。例如，為提高零件表面的耐腐蝕性、熱硬性、硬度時，可對其進行氮化處理。如需獲得表面的高碳回火馬氏體，而信不為低碳回火馬氏體，則需進行鋼的滲碳處理。如需表面層為淬火組織，而內部為淬火前組織時，可考慮采用高頻淬火進行處理，其中電流頻率越高獲得的淬透層越薄。總之，不同的處理工藝，實施流程及復雜度有所不同，要求設計人員設計過程中做好充分的考慮。

結論

機械設計是機械制造的關鍵環節，專業性強，對設計人員的綜合水平要求較高，為保證設計方案科學、合理，方便后期的零件生產，設計人員應做好機械材料選擇與應用研究。本文通過研究得出以下結論：

（1）機械設計常用材料類型較多，從大的方面分為金屬材料、非金屬材料，不同類型的材料物理、化學、工藝性能存在較大差別，要求設計人員熟練掌握不同材料性能，為機械設計工作的順利實施做好鋪墊。

（2）機械設計中，為保證機械材料選擇的合理性，要求設計人員做好設計工作分析工作，明確設計工作要求，詳細了解機械零件所處的運行環境。同時，做好經濟性分析，嚴格控制生產成本。另外，還應做好機械零件的性能及處理工藝分析，確定最佳機械材料的同時，選擇合理的處理工藝，以改善機械零件性能，保證零件生產質量。

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