1、机 械 设 计 过程 中 机 械 材料 的 选 择 和应 用 探析 王熙婷 哈 尔 滨工 程 大学 摘 要： 材料的选择与应用是机械设计中的重要内容, 其关系着机械产品的性能及使用 寿命, 尤其是部分机械产品对材料各项参数要求较高, 需设计人员综合分析, 保证选择材料的合理性与科学性。 本文对机械材料相关知识作简单分析, 提出机 械设计过程中机械材料选 择与应用策略, 以供参考。 关键词 ： 机械设计; 机械材料; 选择; 应用; 近年来, 我国机械制造业发展迅速, 一定程度上推动我国工业化进程。 众所周知, 机械制造业涉及诸多环节, 其中设计环节决定着机械产品的整个生产过程及生 产质量, 尤
2、其机械材料的选择是机械设计的重中之重, 受到机械设计业内人士 的广泛关注。 1 机械设计常用材料 分析 从大的方面对机械设计中常用材料进行划分, 机械材料分为金属材料与非金属 材料, 其中金属材料 又被分为铸铁、钢、铜合金等, 而非金属分为高分子材料、 陶瓷、 复合材料等。 这 些材料在机械设计中之所以广泛应用, 得益于其优良的性 能。 1.1 金属 材料 铸铁的液态流 动性、 易熔性良好, 并且切削性、 耐磨性、 减震性符合多数零件生 产要求, 可被用于制造各种复杂零件。 依据铸铁中碳的形态及存在形式, 铸铁分 为灰口铸铁、 球墨铸铁, 对灰口铸铁而言, 内部的片状石墨可对机体产生分割作 用
3、, 而且可引起应力集中效应, 塑性低, 铸造性良好。 应用时常用的热处理方式 有表面淬火、 高温退火、 去应力退火。 球墨铸铁较灰口铸铁塑性高、 强度强, 应 用中常使用淬火+回火、正火、退火等工艺处理。 钢在机械设计中应用极为广泛, 依据划化学成分, 钢分为碳素钢、 合金钢。 其中 碳素钢的优点较多, 价格低廉、 产量大、 工艺性能及力学性能优良。 依据含碳量 多少, 钢被分为多种类型, 见表1。 表1 钢的分类及性能 下载原表 机械设计中为改善高碳钢的性能, 常向其中加入一些特殊元素, 形成合金钢。 研 究发现, 合金钢性能除受其化学成分影响外, 而且取决于采用的热处理工艺。 铜合金分为轴
4、承、 黄铜、 青铜合金等, 具有优良的液体流动性与塑性, 其中青铜 合金的抗腐蚀性、减摩性良好, 被广泛应用在机械设计中。 1.2 非金 属材料 高分子材料中塑料与橡胶是典型代表, 在机械 设计中应用广泛, 其中塑料重量 轻, 形成复杂零件的难度较小, 而且不同塑料具有的性能不良, 如摩擦系数大、 绝缘性、 耐腐蚀性强等。 橡胶富余弹性, 能较好地吸收冲击能量, 常用于制造减 震器、联轴器的弹性元件。 陶瓷材料化学性能稳定, 高热硬性强, 被用于制造磨具、 刀具、 燃烧 器喷嘴等耐 腐蚀、耐磨、耐热零件, 具有广阔的应用前景。 复合材料有效地克服了高分材料、 陶瓷材料的不足, 耐磨性、 减振性
5、、 抗疲劳性 强。 不过复合材料价格昂贵, 多用在武器装备、 船舶、 航空等领域中, 在民用工 业中的应用有限, 不过随着科技发展, 复合材料生产成本的下降, 在机械设计 中的应用前景极其广阔。 2 机械设计中材料的 选择与应用策略 在对机械设计常用材料知识了解的基础上, 为保证设计的零件满足要求, 机械 设计中还需要设计人员做好以下工作: 2.1 明确 机械设 计要 求 为保证机械设计中机械材料选择的科学、合理, 设计人员应明确机械设计要求, 把握设计工作的重点与难点, 保证设计工作的顺利进行, 尤其应注意以下问题: 一方面, 明确设计零件用途。机械零件用途不同, 对零件性能的要求差别较大,
6、 直接影响材料的选择, 因此, 设计人员应结合零件用途, 分析零件所处的运行 环境, 以及运行中的影响因素, 对比分析不同材料的适用性。 必要情况下, 对零 件所处的运行环境进行仿真模拟, 掌握零件各种受力参数, 选择针对性机械材 料。 另一方面, 做好材料经济性分析。 不同机械材料不仅性能差别较大, 而且价格有较大差异, 因此, 机械设计中应做好成本的控制, 对各待选材料的经济性 进行分析, 认真分析零件生产所需工艺, 以及在生产中的人力、财力投入情况, 确定最佳的机械材料应用方案。 2.2 做好 材料性 能分 析 机械材料性能对机械零件性能及使用寿命造成的影响最为直接, 因此, 设计过 程
7、中应将材料性能分析作为重点工作加以落实, 具体可从以下内容入手: 首先, 做好物理性能分析。 机械材料的物理性能较多, 包括导热性、 导电性、 熔 点和密度等, 要求设计人员结合零件所处环境, 对比各机械材料的物理性能, 尤其应分析制造工艺复杂性情况, 确定最佳的机械材料。 例如, 当机械零件的重 量有限制时, 可考虑使用铝、 镁等轻金属材料。 其次, 做好化学性能分析。 机械 材料的化学性能包括化学稳定性、 抗氧化性、 耐腐蚀性等。 例如, 部分零件在高 温条件下运行, 为延长其使用寿命应考虑使用耐高温、抗氧化性强的机械材料。 最后, 做好工艺性能分析。机械材料的工艺性能有:焊接性能、切削性
8、能、锻造 性能等, 这些性能决定着零件生产的难易程度, 因此, 需要设计人员通过试验 确定所用材料, 而后组织专家对各材料的可行性进行分析, 确定最佳的机械材 料选择方案。 2.3 选优 合理处 理工 艺 机械零件生产时, 为提高零件综合性能往往采用相关工艺进行处理, 促进机械 生产工作的顺利进行, 设计人员应分析不同机械材料所用处理工艺的复杂度, 确定最佳的处理方案。接下来以钢材料的热处理为例进行分析。 钢热处理分为普通热处理、 表面热处理, 其中普通热处理 包括退火、 正火、 淬火 等, 表面热处理有渗碳、 渗氮、 高频淬火等。 如 机械材料硬度较大, 不利于切削、 生产时, 需要进行退火
9、处理, 以降低材料硬度。 与之相反, 如想提高机械材料硬 度, 可对钢进行正火处理。 另外, 经退火或正火处理, 机械材料硬度、 强度应无 法满足设计要求时, 此时应考虑使用淬火与回火进行处理, 以获得优异的力学 性能, 及脆、 硬的马氏体。 如需要机械零件表面至心部具有不同的性能时, 则需 对其进行表面热处理。 例如, 为提高零件表面的耐腐蚀性、 热硬性、 硬度时, 可 对其进行氮化处理。 如需获得表面的高碳回火马氏 体, 而信不为低碳回火马氏体, 则需进行钢的渗碳处理。 如需表面层为淬火组织, 而内部为淬火前组织时, 可考 虑采用高频淬火进行处理, 其中电流频率越高获得的淬透层越薄。 总之
10、, 不同的 处理工艺, 实施流程及复杂度有所不同, 要求设计人员设计过程中做好充分的 考虑。 结论 机械设计是机械制造的关键环节, 专业性强, 对设计人员的综合水平要求较高, 为保证设计方案科学、 合理, 方便后期的零件生产, 设计人员应做好机械材料选 择与应用研究。本文通过研究得出以下结论: (1) 机械设计常用材料类型较多, 从大的方面分为金属 材料、 非金属材料, 不同 类型的材料物理、 化学、 工艺性能存在较大差别, 要求设计人员熟练掌握不同材 料性能, 为机械设计工作的顺利实施做好铺垫。 (2) 机械设计中, 为保证机械材料选择的合理性, 要求设计人员做好设计工作 分析工作, 明确设
11、计工作要求, 详细了解机械零件所处的运行环境。 同时, 做好 经济性分析, 严格控制生产成本。 另外, 还应做好机械零件的性能及处理工艺分 析, 确定最佳机械材料的同时, 选择合理的处理工艺, 以改善机械零件性能, 保证零件生产质量。 参考文献 1 张娟娟, 唐慧敏.机 械设计中的材 料选择及应用J.科技展望, 2017, 27 (3) :113. 2 袁小伟.关于机械设 计中的材料选择和应用探讨J.机械工业标准化与质量, 2017 (6) :42-45. 3 徐荣刚, 肖金健.论 化工机械设计中的材料选择和应用J.化工管理, 2017 (24) :204. 4 李春艳.金属材料在 机械设计中的选择与应用J.中国金属通报, 2016 (10) :48-49.
