机械设计中材料的选择和应用浅述

机械设计中材料的选择和应用浅述

姬亚东

（平高东芝（河南）开关零部件制造有限公司河南省平顶山市467000）

摘要：机械行业是我国国民经济的重要组成部分，现阶段，人们对机械设备的使用越来越普及，随着社会生产力的提高，对机械设计的要求也越来越高。在机械设计中，为了保证机械的质量材料的选用和应用是至关重要的，所以，在机械设计中，材料的选择和应用是整个机械领域的重点研究对象。文章对机械设计中材料的选用和应用进行了探讨，对设计过程中的注意事项进行了浅述。

关键词：机械设计；材料；选择；应用

随着社会生产力的提高，各大行业对机械的依赖程度也越来越强。尤其在科学发展的新时代下，现代社会对机械设计中材料的选择与应用方面提出了新的要求，因此相关部门的设计人员在机械设计中，材料的选择与应用既要满足机械的使用性能，还要在机械设计的整体过程中考虑经济利益和社会效益，符合可持续发展的要求。所以，对机械设计中材料的选择和应用的探究显得尤为重要。

一、机械设计中材料选择和应用的含义

随着机械化程度的加快，其质量和功能都是人们关注的重点，在这样的发展情形下，选好机械设计所需的材料是企业生产的重要保障。在机械设计过程中，机械材料是机械设备中的重要组成部分，因此，在进行材料选择时，必须保证设备材料的合理性、科学性。在材料进入应用的前期，工作人员必须对其使用性能进行严格的检测，为设备材料的选用把好关；在保证材料经济适用的基础上，兼顾好机械设备的环保、可持续性，促进机械设计多元化领域的发展。

二、机械设计中材料选择的相关原则

（一）使用性原则

使用性原则就是选用的材料加工成零件后在正常工作情况下应具备各方面的性能要求，它是保证零件的设计功能实现、安全耐用的必要条件，也是选材的主要原则。这些材料的使用性能包括力学性能、物理和化学性能等等。不同用途的零件所要求的使用性能是不同的。对结构零件而言，其使用性能要求以力学性能为主，物理和化学性能要求为辅。比如轴类零件，要考虑它的综合力学性能，即强度，塑性、刚度等。

（二）工艺性原则

工艺性原则就是选用的材料经济地适应各种加工工艺，从而满足所要求的使用性能。材料工艺性的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等都有很大的影响。因此在满足使用性能的前提下，必须兼顾材料的工艺性。比如，灰铸铁的铸造性能很好，低碳钢的锻压和焊接性能很好，合金钢的淬透性优于碳钢等等。

（三）经济性原则

经济性原则就是说选用材料加工成零件后应能做到价格便宜，成本低廉和最佳的技术经济效益。在当前激烈的全球竞争市场下，优质、价廉、使用寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件，这就要求我们设计人员正确处理产品的技术性和经济性两者间的关系。在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑材料的经济性原则。

三、机械设计中材料的选择和应用

（一）功能性材料的选择

在进行材料选择时，设计人员首先要分析零件的工作条件，常见的失效形式以及每种零件所具有的功能要求等，而后依据这些个性化要求合理选择性价比高的机械材料。因为每种材料的特性是不同的，只有了解所需零件的功能要求，掌握各种材料的特性，才能准确地根据不同材料的性能进行选择，实现材料在不同零件位置上的合理运用。比如，有的零件要用到支撑力相对较强的位置，就需要材料的具备一定的强度；而一些零件则需要用在耐磨性能要求较高的地方，就需要材料要耐磨；再如某些在航海航空中应用的仪表弹簧，即要求弹性性能、有要求抗磁性和耐蚀性，此时便不应选择普通弹簧材质（如65Mn、60Si2Mn），而应选择铍青铜制造（如QBe2）。

（二）碳素钢与合金钢的选择

碳素钢在机械设计选材应用中最广泛。碳素钢的特点是具有一定的力学性能，能够满足大部分零件的使用性能要求，而且加工工艺简单，成本较低。但它同时还有一些缺点，就是韧性较差，强度较低，致使它的使用范围有一定的局限性，不可以用作承受载荷较大的零件等。而合金钢的出现就解决了这个问题，合金钢和碳素钢相比，具有较高的综合力学性能（如强度，韧性等）、良好的热处理工艺性能，并具有特殊的物理、化学性能。它能满足不同工作条件下的产品使用要求，应用范围在不断地扩大。因此，设计人员要学会根据不同的产品使用性能合理的选择碳素钢和合金钢。

（三）低消耗材料的选择和应用

为了促进机械行业的可持续发展，就要去在在机械设备材料的选择和应用过程中，要尽可能地挑选节能环保性型材料。如某些机械的使用环境会比较恶劣，就要求材料的防腐性能较强一些，而一些生产厂家为了节约成本会选择不锈钢或塑料材质的材料，或者是通过喷涂的方式来达到防腐效果，但这种方式对环境的污染是非常大的，制约了行业的可持续发展。因而正确的做法是选择自身具备防腐性能的材料来进行机械制造，在生产的同时做到保护环境。另外还有一些材料的自身性能比较差，需通过热处理的方式来提升它的性能，但是热处理工序也会污染到环境，所以在选取此种材料的时候，要尽量选择不用进行热处理工序的材料。

四、机械设计选材时需要注意的事项

（一）注重节能环保，科学发展

在进行材料的选择中，设计人员需要贯彻落实科学发展观。选择的材料应尽量减少加工工序、热处理工序以及表面处理等工序。比如F51E2B(表面彩色镀锌)，F56E(表面镀铬)等工序，溶液中含有大量有害的重金属离子，如不及时的处理都会污染环境。所以在国家重视环保的今天，设计人员必须要有环保意识，可持续发展观念，遵守相关行业标准，在保证机械产品使用性的前提下，让设备更具节能、减耗、环保的特点；在充分发挥机械材料各大功能的同时，实现发展与资源环境的有效协调。

（二）充分考虑零件的实际工作条件和环境

零件的失效与许多因素有关系，实际选材的的工作条件和环境对其使用性能影响很大。因此，设计人员在确定零件的使用性能的同时要全面分析它的工作条件和环境。其中要考虑以下因素：第一，零件的受力情况，如载荷性质（静载、动载、交变载荷），形式（拉压、弯曲、扭转、剪切），分布（均匀分布、集中分布），应力状态等；第二，工作环境，如工作温度（常温、低温、高温、变温），压强（真空，低压、高压）、工作介质（有无腐蚀，润滑剂）；第三，其他特殊要求，如导热性，抗磁性，耐蚀性等。我公司550BH油压机构在西藏芒康、林芝以及四川巴塘（高寒低压）运行现场出现连接块压板密封处漏油现象。设计图纸采用Q235A板材质，其屈服强度为235MPa。经工作人员分析得知西北地段为高寒低压地势，油压机构内外压力差过大，Q235A材质不能满足此位置的使用性能。变更材质为Q690E(其屈服强度为690MPa)后运行良好，如图1所示

图1

（三）充分考虑钢材的尺寸效应

参数相同，其力学性能也有很大差别。尺寸效应除了与大截面材料内我们都知道，随着钢材截面尺寸的增加，其力学性能将逐渐降低，这就是刚才的尺寸效应。钢材截面尺寸大小不同时，即使热处理工艺部产生冶金缺陷增多有关之外，还与钢材的淬透性有着密切的联系，最后都会影响钢材在截面方向从外到内的力学性能。我公司采购的弹簧压板曾出现芯部硬度不够的现象（图纸要求调质处理后硬度HB269-331），图纸采用35CrMo合金钢材质，零件最大直径为Ф36mm，供应商提供的钢材规格为Ф40mm。根据零件芯部出现粘刀刀纹、径向硬度测试对比以及35CrMo合金钢油淬临界直径Ф40-50mm分析得知，此规格的35CrMo合金钢材质不易淬透导致芯部硬度不够。

图2

（四）充分考虑棒材和板材的优缺点

经过大量的实践和研究证明，棒材的一般显微组织缺陷主要沿轴向方向上延伸，板材的主要缺陷在轧制方向上。原始的铸锭经挤压或拉伸成为一定规格的棒材，从铸态到挤压过程中形成的气泡或气孔、裂纹、缩尾以及疏松等显微组织缺陷在轴向方向上改善甚微，然而经过碾轧成为板材之后，这些组织缺陷可在高温和压力作用下被钎合。所以，熟练掌握板材和棒材的优缺点对合理设计高温高压、气密、受力的零件尤其重要。我公司生产的ES开闭机构在实验过程中，SF6气体在一法兰密封盖板附近出现渗漏显现，经过对法兰盖板附近做着色探伤（PT）后，发现供应商提供的棒材有针孔穿透缺陷。如图2所示

四、结语

对于机械设计中材料的选择和应用，设计人员必须从多个领域充分考虑，在各种设计都满足相关规范和标准的基础上，将经济、环保的等特点充分展现出来，紧跟时代发展的大方向，更好的促进机械设计的可持续发展。

参考文献

[1]王熙婷.机械设计过程中机械材料的选择和应用探析[J].中国新技术新产品,2018(2):42-43.

[2]郑云鹏，张宏伟.机械设计中材料选择与应用的意义与要点[J].南方农机,2017,48(24):98.

[3]程芳，杜伟.机械工程材料及热处理[J].河南工学院2008(1):208-214.