徐进　闫建华（国家电网许继集团有限公司，河南许昌 461000）

机械设计中材料的选择及其应用

徐进闫建华
（国家电网许继集团有限公司，河南许昌 461000）

随着经济的快速发展，人们对机械设计材料的选择和应用的要求也越来越高，节能减排与环境保护以及机械设计的适用性和经济性成为机械设计中材料选择和应用的必然选择，成为广大机械设计技术人员和所有从业人员必须面对并加以解决的问题。本文简述了关于机械设计的材料选择和应用的重要意义，对机械设计材料的特点和选择进行了分析。

机械设计 材料选择 应用

在城市化建设规模持续扩大的背景作用下，机械行业在整个国民经济中所占的地位日益关键。材料又是关系到机械成本和机械使用过程中非常关键的因素，材料的重量几乎占到了机械设备的全部重量，因此材料成本占到机械设备制造成本的50%或更高。较好的材料不仅能够延长机械的使用寿命，而且能够有效的提高机械使用的效率。

1　机械设计中的材料的选择与应用的重要意义

随着工业化进程的加快，机械作为城市建设的主要力量，机械行业的发展也得到越来越多的关注。而机械设计中的材料的选择和应用作为机械行业中的基础工作内容，对于机械行业的发展有着至关重要的影响。而对机械设计中的材料选择和应用问题展开的研究，对于促进机械行业的稳定发展有着重要的意义。随着机械设备需求量的增加，使得我国的机械材料出现了严重短缺的现象。整个机械生产与加工行业也面临着前所未有的发展机遇和挑战，一些机械设计中重要的资源已经变得越来越少，原材料日益稀缺，使得机械制造的材料成本增高，进一步压缩了应用空间，所以，机械设计工作必需的材料日益增长的需求与各种原材料稀缺之间的矛盾日益突出于激化，针对这种现象，就要重视机械的选择工作，在选择机械材料时不仅要选择实用性强的材料，在选材的过程中还要选择材料的经济性和环保性。只有选择良好的机械材料，才能保证机械设计行业的正常发展。因此，相关工作人员需要在确保机械设计材料满足机械施工作业基本需求的基础之上，做到使机械设计整体能满足经济社会、生态环境可持续发展要求。

2　机械设计中的材料的选择工作的注意要点

材料的选择直接关系到整个机械设计工作的质量，在整个机械设计的材料中，要注意以下几个方面：

2.1机械设计中的材料的选择和应用的实用性

坚持实用性的原则材料选择的实用性是机械设计选材的首要要求，这是保证材料性能和质量的根本。机械设计中的材料的选择和应用要针对机械零件的制造工艺进行合理设计，铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺、切削加工工艺、粘结固化工艺、热处理工艺等对机械设计中的材料的选择和应用的要求各不相同，铸造工艺对材料有收缩性、流动性、偏折性、吸气性及热裂倾向性的要求，锻造工艺对材料有锻后冷却、冲压性、可锻性及冷镦性的要求，焊接工艺对材料有焊接接头的使用性能及敏感性要求，切削加工工艺对材料有接受切削加工的要求，粘结固化工艺对材料有粘结固化性的要求，热处理工艺对材料有氧化脱碳倾向、回火脆性倾向、过热敏感性、淬透性及变形开裂倾向的要求。只有达到了这些要求，才能将原材料合格加工成机械零部件，并以这些零部件为基础，制造出机械设备。坚持根据不同零部件的不同要求来进行材料的选择，准确的判断零部件对材料的要求，是实现实用性选材的保证。

2.2机械设计中的材料的选择和应用的经济性

除了实用性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选择价格高的材料。这对于大批量制造的零件尤为重要。材料的加工费也要节省，例如制造某些箱体类零件，虽然铸铁比钢板廉价，但在批量小时，选用钢板焊接比较有利，因此可以省掉铸铁的生产费用。提高材料的利用率，如采用无切削或者少切削毛坯（如精铸，模锻，冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。节约稀有材料例如铝青铜代替锡青铜制造轴瓦，用锰硼系合金钢代替镍系合金钢。另外在材料的供应中，对于小批量的零件应尽量减少同一部机器上使用的材料品种和规格。

2.3机械设计中材料的选择和应用应当重视绿色环保

目前，环境已成为全球关注的大问题。地球温暖化，臭氧层破坏，酸雨，固体垃圾，资源、能源的枯竭，等等，环境恶化不仅阻碍生产发展，甚至危及人类的生存。因此，人们在发展工业生产的同时，必须考虑环境保护问题，力求做到与环境相宜，对环境友好。这就需要选择低能耗、低成本、高效率、污染少的材料应当成为机械设计中选择和应用材料的主力军。还要从循环利用的角度去选择材料，减少不必要的能源耗费，多采用一些合金系列的材料来制作零部件，合金系的组元越少，环境承载的压力也会减少，合金的循环利用的性能就会相应的提升。节能环保材料的运用，不仅能降低能源的消耗，节约生产成本，而且还能够最大限度地符合机械设计中材料应用的环保性要求。

2.4机械设计中的材料的选择和应用中要坚决贯彻可持续发展观

在机械制造领域中，金属材料的种类非常多，钢材就有100多种，然而在机械设计中，由于不同种类的材料都堆放在了一起，很难对材料进行分类，进而加大了回收利用的难度。因此机械设计的材料选择过程中，为了便于循环利用，可以选择一些单一的合金系制作零部件，因为合金系的构成元件比较少，对环境的压力也较小，所以能有效提高对合金的回收和循环利用效率。

在机械设计中的材料的选择和应用贯彻可持续发展观，可以使材料的选择和应用达到最佳效果，有效整合机械设计和原材料资源，有利于充分挖掘材料的潜力，为机械设计材料选择和应用的全面、稳定、可持续发展奠定坚实的基础。

2.5 要考虑载荷应力大小和性质

在机械设计过程中，通常机械材料的外载荷性能容易导致机械设计的部分元件失效，而机械的零部件所具备的性能却能有效的防止这种零件的失效，由于失效零部件性能与材料的外载荷性能的大小作为机械选材的标准。

这方面的因素主要是从强度观点来考虑，用在充分了解材料的力学性能的前提下来进行选择。如：①在选材的过程中。如果选择的材料需要承受这种荷载力的作用，可以用中碳钢调质或者低碳钢渗碳的工艺对进行加工。②对于单纯承受压缩或拉伸力的部件材料，要选择性能分布更加均匀的材料如弹簧钢或对低碳钢以淬火强韧化的处理。

3　机械设计选材的应用的技术手段

（1）调质工艺以及有关设计应用分析。热处理技术是现在最为常见的调质技术，机械设计中的大多数零部件都可以通过调质技术来进行处理，其效果就是可以有效的提高材料的综合性能，提高材料的拉升强度以及屈服强度，让材料更具强度和可塑性，就可以让零件在设计中使用更小的截面从而有效的减小整个机械设别的重量和节省机械空间。一个零部件是否需要调质处理时要根据零件的强度做出判断的，并不是所以的零件都需要进行调质。

调质的过程是淬火加高温回火，首先需要将零件加热到一定的温度，保温一段时间后放入油中或水中冷却，冷却后立即进行回火，以降低淬火应力，调整材料的结构成分，从而达到机械要求的性能标准。回火温度的制定是根据材料的硬度和性能的高低来决定的，硬度和强度越高，回火的温度越低。调质后的任何高于回火温度的加热，都将降低以达到的强度。因此，一定要根据实际的需要来确定是否应该选择调质工艺，而且设计时必须先在图纸上明确标注调质的强度或机械性能的值。选择调质处理材料时一般需要注意以下几点：第一，图纸中应注明调质，若只是注明热处理的话，很多厂家可能会采用其他的热处理办法进行处理，如正回火处理。但正回火处理所达到的相同硬度材料，其屈服强度和冲击功会小得多，在实际的工作中足零部件过早断裂。第二，调质的范围和硬度要按照材料的标准选择，这有利于工厂配炉生产。第三，硬度和其要求的强度要相适应。设计师在工作中必须注意，图纸中要求的强度要与硬度相互匹配，否则难以同时满足。在我国的国家标准以及内外标准中都有专门的对照表来进行参考。

（2）渗碳处理渗碳处理是常用的表面硬化处理工艺，是指在渗碳炉中将低碳钢表面的碳含量增加至规定范围然后进行淬火，是表面的硬度达到设计的要求，然后再进行低温回火以消除应力和稳定组织。渗碳工艺采用的是专业的渗碳钢，设计时可根据工件的具体情况来选择材料和渗碳的深度，以达到最好的效果和节约成本。氮化处理技术的最大优势在就在热处理中变形较小并且硬化层较小，特别是用于和调质技术结合来使用，可以有效的提高技术的强度以及耐磨性。

（3）氮化处理原则上来说，任何的钢材都需要进行氮化处理，但在实际工作中最常用的氮化钢是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化炉内进行的，具有变形小的优点。氮化后一般可不加，氮化的硬度根据材质而定，在设计时尽量采用整体氮化的处理，对必修进行局部氮化的零部件要做局部保护，淡化后处理到不需要氮化部位的保护层。此外，氮化前必须首先对选材进行调质处理，以提高心部的机械性能，为氮化做准备。氮化工艺的热处理变形小，硬化层浅，特备适用于与调质工艺相结合来提高零部件的强度、耐磨性和耐腐蚀性，适用于在周期载荷下工作的零部件，如轴承等。

（4）表面淬火是成本较低的一种硬处理办法，工艺简单，适用于零部件的局部处理，特别是对耐磨性的提高。表面淬火只加热表面层，心部的强度还保持原来的状态。一般包括高频感应加热、中频感应加热、喷水冷却和低温回火几个程序。表面淬火后的零部件产生了较多的残余压应力。

因而使材料的疲劳程度大大提高。设计时要考虑不可将残余拉应力留在齿根处等零件应力集中部位，以免在工作应力与残余应力叠加时造成零件的断裂。薄板类零件本身容易变形，表面淬火时要考虑应力的平衡问题，如将薄板类工件设计成双面淬火，是一种行之有效的解决办法。表面淬火前要先进行调质处理，一是提高心部的强度，另一方面也是可以减少淬火带来的变形和裂纹倾向。

4　结语

综上，材料的运用是关系到机械是否正常使用的关键，在整个机械设计过程中占据着重要的地位，对提高机械设计的水平，保证机械产品的质量以及推动整个设计行业的发展具有十分重要的意义。因此，在保证机器正常的刚度强度下，节约材料，环保节能，提高机械的经济性，实用性成为了本行业研究的重点，进而全面促进我国机械设计行业的可持续发展。

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［4］赵忠国.机械设计中的材料的选择和应用［J］.科技风，2011.

徐进（1986—），女，汉族，安徽淮北人，毕业于西南大学材料化学专业，大学本科学历，工学学士。主要从事机械设计中材料应用与电力设备三防工艺方面的研究；闫建华（1980—），男，汉族，河南许昌人，毕业于河南工业大学机械设计制造及其自动化专业，大学本科学历，工学学士，工程师。现在国家电网许继集团有限公司主要负责产品研发设计工作。