机械工程机械设计中的材料的选择和应用分析

机械工程机械设计中的材料的选择和应用分析

张凯

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摘要：随着工业化进程的加快，机械设计人员的素质也随之提高。改革开放以来，我国的经济和科技都得到了飞速的发展，并在世界范围内取得了巨大的成就。在这一成就中，作为我国产业发展的基石的机电工程，在推动我国经济增长的同时，也随着中国经济的不断发展而不断壮大。机械工业是国民经济发展的重要支撑。在机械工程中，如何选择合适的材料，起着十分重要的作用。本文从选择材料的意义，选择材料的原则，选择材料的过程和方法等几个方面，从实践出发，循序渐进的进行了论述。期望能为有关工作提供一些参考。

关键词：机械设计；材料；性能；选材

一、选材的意义

在机器的设计过程中，选材是很重要的一环。对机械工程材料的合理选择，将会在最大程度地发挥其自身的性能潜能，确保其拥有良好的加工工艺性能，获得理想的使用性能，提高产品零件的质量，节约工程材料，降低生产成本等方面起着重要作用。在此，就如何选择合适的机械工程材料，提出了自己的一些观点，供大家讨论。

二、选材的原则

根据工作环境来决定产品的使用性能，是选择产品的一个基本起点。其次就是要考虑到物料的处理过程。第三，必须从经济角度出发。争取把所有费用加在一起减到最低限度。达到材料的使用性能足够，工艺性能良好，供应上能保证，经济性应合理。

（一）选材的一般使用原则

选用什么材料，就是要看生产出来的机器部件是否能确保它的工作性能。材料可用性是指该材料在一般工作状态下所应该具有的性质。主要研究材料的机械性能、理化性能等。为了确保部件的安全、可靠和持久的工作，部件的工作性能是必不可少的。在选择材料的时候，也是一个很重要的参考。不同的部件，其所需要的材料的使用性能也会有所不同，有些部件需要高强度，有些部件需要高硬度，有些部件需要高耐磨性，有些部件对性能没有特别的要求，只要保持一定的外表就可以了。对于普通的机械部件，其力学特性也要优先考虑。

（二）选材的工艺性原则

工艺性原理是指所选择的材料是否能确保能够顺利地被加工和制造成为一个部件。比如，有些材料只根据产品的用途需求，它是非常适合的，但是它不能加工生产，或者它很难加工生产，所以它的价格非常昂贵，这就是工艺性能差。所以，在选择材质时，材质的技术特性对其制造的难度、效率和成本都有很大影响。

（三）选材的经济性原则

经济原则是指所选材料在被加工成零部件后，是否能使其成本低、价格低。从经济角度来看，应该尽量选择供应充足，价格低廉，易于加工，总成本较低的原料。一般来说，只要保证了零件的功能，就会优先选择便宜的材料。能使用低合金钢材的就不要使用高合金钢材；如果能用钢铁，那就不要用有色金属了。另外，在进行经济分析时，必须站在长期的角度，而不能只看到短期的收益。有些原材料，虽然目前看来价格很高，但因为寿命长，维护费用低，所以从长期来看，经济效益会很好。从总体上来看，它的经济价值还是比较合理的。此外，还应该指出，在选择聚合物材料时，除了要根据以上三个原则之外，还要重点考虑在工作状态下，环境（例如，温度，水，氧气，光线，油等）对聚合物材料的性质的影响。

三、选材的步骤

在机械工程中，选材是一个非常重要而又非常繁琐的工作。它的基本步骤是这样的。

(1)对所选择的材料，进行部件的性能需求和破坏分析，包括部件的使用情况，部件的强度，刚度，稳定性的计算等。(2)选择材料，将其分为四大类：金属材料，陶瓷材料，聚合物材料，复合材料。以一切工程材料为选材对象，按其性能需求进行选材。(3)评估候选材料。(4)确定最优材料。(5)对所选择的部件材料进行实物检验。

四、选材的方法

（一）综合分析性能指标，全面考虑选材原则

在机械工程中，大部分构件都处于多个应力状态，且各构件的应力状态随构件工况的变化而变化。所以，在材料选择上，应该以部件的最重要的性能需求为基础。零件的强度，硬度，耐磨性，耐热性，耐腐蚀性，这些都是要考虑的。

（二）结合实际典型零件，类比分析选材方法

在机器生产过程中，零部件的类型繁多，对其性能的需求也各不相同，因此对零部件的性能需求也就不同。通过对各种材料的对比分析，可以看出，金属材料由于其优异的综合机械性能而得到了广泛的应用。本文以一些有代表性的零件为例，对材料的选择作了较为详细的阐述。

机床齿轮。对于机械齿轮来说，最重要的就是它的疲劳强度，特别是在弯曲疲劳方面，它需要具有高的耐磨性、高的冲击韧性和优良的切削加工性能。而对中碳钢进行表面硬化处理，使其在较低温度下进行回火，则能达到要求；在此基础上，对低碳钢进行渗碳处理，再进行淬火，达到较低温度时，仍可获得较高的性能。当然，如果用38 CrMoAl进行氮化，一般情况下，也能满足机床的需求。对上述三种材料的选择及加工方法进行了对比，并对其进行了经济分析。其中以高频表面硬化法成本最低，然后是渗碳法，最后是氮化法成本最高。

轴类零件。轴类零件也是一种普遍使用的零件。由于轴类的材质需要达到刚度、强度、耐磨性、耐腐蚀等性能指标，常用的材质是碳钢和合金钢。然而，碳钢的成本低于合金钢，且不容易受应力集中影响，且经过热处理后，其耐磨、耐疲劳等性能也得到了显著提升，因此，碳钢的综合性能也更好。合金化钢板的机械强度、淬透性优于碳钢，但其价格昂贵，且易受应力集中影响。经对比，选择45钢作为常用的传动轴，而对传动轴要求不高或传动轴要求不高的传动轴，则选择Q235,Q255等常规碳素钢作为传动轴。如果需要传输功率较大，并且需要重量轻，尺寸小，耐磨性能好，或者在某些特殊情况下使用的轴类，可以选择20 Cr,20 CrMnTi等低碳合金钢。

机体类零件。机壳结构部件是机械的基本部件，很多机械零件安装在机壳上，有些甚至在机壳轨道上运行。所以，机身是整台机器的组装和调整基准，而机器各部件的相互位置精度，以及一些部件的运动精度，都与机身本身的精度有着直接的关系。不同的机身部件，因为功能的差异，其结构和形状通常会有很大的差异，但是在结构上还是有一些共性的特征。

结论

目前，随着科学技术的不断发展和进步，计算机技术和其它学科也被越来越多地应用到了材料领域的选择上，如数理统计、可靠性分析以及价值分析等，人们逐步开发出了一些具有规律的选材方法。特别是在参考了有关指标后，更具实际意义，使选材工作更为科学合理。总之，在选择机械工程材料时，不但要考虑到其性能是否符合工件的使用需要，使得工件的使用寿命长，还需要选择具有良好的可加工性，以及良好的经济价值。从而提高了零部件的品质，降低了费用，降低了损耗，实现了对机械工程材料的合理选择。

参考文献

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