金屬材料在機械設計中應用

　　隨著社會經濟的快速發展，機械制造業的發展速度也十分驚人，金屬材料也是機械制造業中不可忽略的部分，本文主要研究金屬材料在機械設計中應用。

　　《機械工業標準化與質量》(月刊)創刊于1976年，由機械科學研究總院、中國機械工業標準化技術協會主辦。本刊是機械行業唯一的在全國公開發行的標準化與質量方面的宣傳媒體。辦刊宗旨：宣傳報導國家關于機械工業標準化與質量工作的方針政策及相關法規，介紹國內外標準化與質量管理的先進方法和經驗，介紹最新標準，引導企業加強標準化，促進技術進步，提高產品質量，獲取最佳經濟效益，是深受標準化和質量工作者歡迎的科技期刊。

　　在我國城市化建設過程中，機械制造行業在整個國民經濟中占據著越來越重要的地位。各行各業對機械的需求越來越多，機械行業的發展是我國經濟發展的巨大推動力。所有的金屬材料均有其優缺點，不可能同時在各個方面均具有優良的性能。在設計過程中，金屬材料的選擇就是根據其自身的特性揚長避短，達到最佳的使用效果。材料的選擇對產品質量、機械設計行業的發展具有直接的影響。而隨著經濟大發展，對機械的需求量也大大增加，機械加工更是面臨著材料短缺的危機。面對這些現象，在進行材料選擇時，必須要保證材料的強實用性、經濟性、環保性，只有保證選擇金屬材料的正確選擇，才能保證機械設計行業健康的發展。

　　1金屬材料的發展

　　金屬材料是指由金屬元素或金屬元素為主要構成的具有金屬特性的材料統稱[1]，包括純金屬、合金、金屬間化合物和特殊材料等，金屬材料通常被分為黑色金屬(鋼鐵材料)、有色金屬、特種金屬。隨著材料設計、加工技術及使用性能試驗的進步，金屬材料已經從純金屬、純合金中擺脫出來，人們開發出了新的高性能金屬材料。例如有序金屬間化合物、機械合金化合金、定向凝固柱晶和單晶合金、釹鐵硼永磁合金等新型材料。這些材料在機械設計中的應用產生了巨大經濟效益。

　　2機械設計材料選擇的原則

　　材料的選擇是機械設計的重要內容之一。在材料選擇時必須按照一定原則進行。

　　2.1考慮材料的載荷以及應力

　　機械設計過程中必須對金屬材料的荷載水平進行選擇。荷載水平較低可能會出現機械后期的使用受抑制或失效的情況，不能發揮出機械零件應有的作用。由于各種金屬材料的脆性和塑性不同，脆性材料多用于靜載荷下工作，而塑性材料大多用于沖擊荷載情況下。設計中應對材料荷載進行和在評估，優選荷載較高的材料。另外，如有需要可以對材料進行調質、滲碳、氮化技術等處理[2]。

　　2.2考慮零件的工作環境

　　第一，考慮溫度的影響，由于金屬熱脹冷縮的特性，溫度對金屬材料會有影響，但是不同材料的膨脹系數是不同的，在溫度變化時，材料體積隨之變化程度不同，導致材料松動。在選擇材料時，必須選擇膨脹系數較少的材料，且膨脹系數相差不宜過大。第二，考慮環境濕度和腐蝕性，有些零件必須處于潮濕環境和與腐蝕性介質接觸的環境，這時應該選擇具有良好的防銹抗腐蝕的金屬材料。第三，考慮材料耐磨性，機械作業過程中會發生零件磨損現象，這時應選擇硬度大，耐磨性好的金屬材料，或者通過堆焊、焊接、熱噴涂等提高機械零件的耐磨性[3]。

　　2.3零件的加工工藝及可實現性

　　在機械設計到完成產品過程中可能會經過切割、焊接、拼接等多種工藝[4]。如果材料既易獲取又易于進行工業批量加工，還能夠保證產品性能，則在機械設計過程中則應優選該種金屬材料。機械設計過程中，必須考慮零件的加工工藝和可實現性。

　　2.4失效性

　　任何機械零件在使用過程中，經過一段時間均會產生一定的損壞，使其達不到預期要求或損壞。在進行材料選擇時，考慮到金屬材料制作的零件的時效性，通過實驗選擇合適的材料[5]。

　　2.5材料的經濟性

　　在機械設計材料選擇時，應該進行成本核算，在保證其機械性能同時，選用價格比較低廉、加工工藝成本低的材料。且所選用的材料供應量大，獲得方便。

　　2.6材料無害化

　　在機械設計過程中盡量不選擇含有鎳、鉛、鉻等元素的金屬材料，這些金屬元素會對人體健康產生不利影響。在材料加工過程中，其廢棄物排放后會產生環境污染，直接或經過在生物體內積累對人體產生影響，因此在選擇金屬材料時，一定要謹慎選擇。

　　2.7材料的可循環使用性

　　機械設計中，為了使金屬材料性能達到預期效果，需將若干種金屬混合為合金使用。這種合金材料相對于純金屬材料回收難度大大提高增加了回收成本。一旦機械報廢，金屬材料難以回收。為了實現資源的合理利用，在選擇金屬材料時，盡量選擇單個的合金，而且合金的組成元素種類越少越好。

　　3金屬材料應用注意事項

　　3.1選材時應注意其經濟實用性

　　機械設計過程中，材料的選擇和應用屬于重點內容。機械設計最終產品須滿足實用性的要求，這主要由材料的使用和加工工藝決定。首先，對于機械設計者來說，在選擇加工工藝之前需對設計進行綜合性評價，對市場上各個材料的加工工藝、材料性能、材料價格、設計實現可能性等進行整理分析。其次，設計人員應先確定加工工藝，再進行金屬材料的選擇，保證生產設備的實用性。金屬設備的生產涉及鑄造、生產、裝配以及焊接等加工工藝，不同工藝對材料的要求不同，加工工藝確定后，材料選擇就會受到限制。例如采用鑄造工藝時，需要使用具有良好流動性、收縮性、偏折性的材料;采用鍛造工藝，需要選擇抗沖擊性強、可鍛性高、有良好的冷鐓性和斷后冷卻性的材料。最后，考慮技術材料自身的性能是否符合設計要求。由于碳素鋼或合金鋼材料具有良好的加工性能，價格適中、性價比較高，是機械設計中較常用的金屬材料之一。由于碳素鋼韌性不足，有些中等型材不能夠直接加工。為了提高其實用性，可以通過加入適宜成分制造成具有耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫性強的合金鋼。另外，金屬材料選擇時應盡量考慮到材料的經濟性。選用價格便宜、各項成本較低、加工工藝成熟、適用性廣的材料。

　　3.2選材時應注意節能性和環保性

　　機械設計過程中要堅持低碳環保、可持續發展的原則。首先，材料選擇時，應選擇加工工藝成熟、污染少、能耗低的金屬材料，降低對環境的污染和能源的消耗;其次，選擇材料時，考慮其可回收性，減少機械產品中所用金屬材料的種類，優先考慮可回收、可再生、易降解的材料，避免資源的浪費;再次，選擇材料時注意材料的失效性，選擇符合設計要求的、失效時間鄰近的金屬材料，提高材料的利用率，避免資源的浪費;最后，無害化也是金屬材料選擇必須要注意的問題之一。金屬合金制作加工過程中會產生有害廢物，選擇危害性小或尋找新型無害的材料替代原材料，降低材料加工廢物對環境和人體的毒害作用。