金屬材料在機械設計中的應用范文

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摘要：

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，機械制造業(yè)的經(jīng)濟地位也愈來愈高，機械行業(yè)的發(fā)展促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展。機械設計和制造過程都不可避免的涉及到金屬材料的選擇和使用。由于社會經(jīng)濟理念的轉(zhuǎn)變，人們對于機械設計的要求也逐漸提高。材料的選擇和利用成為當前研究的熱點。本文將對新形勢下金屬材料的選擇與應用加以分析，在選材料的設計要求、經(jīng)濟適用性、環(huán)保性以及節(jié)能性方面加以討論，以低碳環(huán)保的選材方式，貫徹國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

關鍵字：

金屬材料；機械設計；選擇；應用

在我國城市化建設過程中，機械制造行業(yè)在整個國民經(jīng)濟中占據(jù)著越來越重要的地位。各行各業(yè)對機械的需求越來越多，機械行業(yè)的發(fā)展是我國經(jīng)濟發(fā)展的巨大推動力。機械設計是機械制造的基礎性工作，在機械設計過程中，所有的機械設計均需面臨金屬材料的選擇問題。所有的金屬材料均有其優(yōu)缺點，不可能同時在各個方面均具有優(yōu)良的性能。在設計過程中，金屬材料的選擇就是根據(jù)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(chǎn)品質(zhì)量、機械設計行業(yè)的發(fā)展具有直接的影響。而隨著經(jīng)濟大發(fā)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(xiàn)象，在進行材料選擇時，必須要保證材料的強實用性、經(jīng)濟性、環(huán)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(yè)健康的發(fā)展。

1金屬材料的發(fā)展

金屬材料是指由金屬元素或金屬元素為主要構(gòu)成的具有金屬特性的材料統(tǒng)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(shù)及使用性能試驗的進步，金屬材料已經(jīng)從純金屬、純合金中擺脫出來，人們開發(fā)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(chǎn)生了巨大經(jīng)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(nèi)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(xiàn)機械后期的使用受抑制或失效的情況，不能發(fā)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(yōu)選荷載較高的材料。另外，如有需要可以對材料進行調(diào)質(zhì)、滲碳、氮化技術(shù)等處理[2]。

2.2考慮零件的工作環(huán)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(shù)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(shù)較少的材料，且膨脹系數(shù)相差不宜過大。第二，考慮環(huán)境濕度和腐蝕性，有些零件必須處于潮濕環(huán)境和與腐蝕性介質(zhì)接觸的環(huán)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(yè)過程中會發(fā)生零件磨損現(xiàn)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(xiàn)性

在機械設計到完成產(chǎn)品過程中可能會經(jīng)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(yè)批量加工，還能夠保證產(chǎn)品性能，則在機械設計過程中則應優(yōu)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(xiàn)性。

2.4失效性

任何機械零件在使用過程中，經(jīng)過一段時間均會產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生不利影響。在材料加工過程中，其廢棄物排放后會產(chǎn)生環(huán)境污染，直接或經(jīng)過在生物體內(nèi)積累對人體產(chǎn)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(huán)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(xiàn)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(jīng)濟實用性

機械設計過程中，材料的選擇和應用屬于重點內(nèi)容。機械設計最終產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)設備的實用性。金屬設備的生產(chǎn)涉及鑄造、生產(chǎn)、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(shù)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(jīng)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(jié)能性和環(huán)保性

機械設計過程中要堅持低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)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(huán)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(chǎn)品中所用金屬材料的種類，優(yōu)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(chǎn)生有害廢物，選擇危害性小或?qū)ふ倚滦蜔o害的材料替代原材料，降低材料加工廢物對環(huán)境和人體的毒害作用。

4總結(jié)

合理選用金屬材料是機械制造過程中的重要環(huán)節(jié)。需從多方面考慮。從其機械性能、經(jīng)濟性、適用性、環(huán)保性、節(jié)能性等方面綜合考慮，擇優(yōu)選擇。保證機械產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，促進機械制造業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]段永強.金屬材料發(fā)展的新趨勢及其影響[J].橡塑技術(shù)與裝備，2015（24）:71-72.

[2]黃丹.淺析材料在機械設計中的選擇和使用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（08）:86-87.

[3]陳絨.機械設計中耐磨損材料的選擇與應用[J].湖南農(nóng)機，2013（03）:101-102.

[4]王云德.機械設計中材料的選擇與應用研究[J].湖南農(nóng)機，2014（02）:52-53+55.

[5]王立文，王書田，李峰.金屬材料的選擇原則[J].內(nèi)蒙古石油化工，2005（02）:26-27.

作者:李春艷 單位:四川交通職業(yè)技術(shù)學院