機械工程材料選用研究

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摘要：機械行業(yè)的發(fā)展為社會經(jīng)濟起著保障性的作用。機械工程中材料的合理選用有著相當(dāng)重要的作用。文章從選材的意義、原則、步驟、方法等方面，結(jié)合實際，步步深入地進行了探討。希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作起到一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；材料；性能；選材

1選材的意義

現(xiàn)代化的工業(yè)進程對機械設(shè)計行業(yè)提出了新的要求。機械設(shè)計中,材料的選擇是非常重要的。合理選用機械工程材料對充分發(fā)揮工程材料本身的性能潛力，保證材料具有良好的加工工藝性能，獲得理想的使用性能，提高產(chǎn)品零件的質(zhì)量，節(jié)省工程材料，降低生產(chǎn)成本等方面起著重大影響。實際工作中，往往由于選材不當(dāng)，使機械零件的使用性能達不到規(guī)定的技術(shù)要求．從而導(dǎo)致機械零件在使用過程中發(fā)生早期損壞如產(chǎn)生變形、斷裂或磨損等等，給生產(chǎn)生活造成了損失?？梢姴牧系倪x擇是機械設(shè)計中的重點問題，材料選擇合理與否直接影響到機械設(shè)計的質(zhì)量和功能。因此，必須加強機械設(shè)計中材料選擇的工作力度。下面就如何合理選用機械工程材料的問題談?wù)勎覀€人的看法，提出來與各位同仁商討。

2選材的原則

我們知道，選材的一般原則是：由工作條件確定使用性能的要求，這是材料選用的基本出發(fā)點。其次是要考慮材料的加工工藝性。第三是要考慮材料的經(jīng)濟性。力爭使各項花費的總和達到最低值。最終做到：“材料的使用性能足夠、工藝性能良好、供應(yīng)上能保證、經(jīng)濟性應(yīng)合理”[1]。

2.1選材的一般使用原則

材料的使用原則在于用所選材料制造出的機械零件能否保證其使用性能。材料的使用性能是指機械零件在正常工作情況下材料應(yīng)具備的性能。包括力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能等。零件的使用性能是保證其工作安全可靠、經(jīng)久耐用的必要條件。是選材時考慮的最主要的依據(jù)。不同零件所要求材料的使用性能是不一樣的，有的要求強度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的無嚴格的性能要求，只需保證一定形式的外表即可。在大多數(shù)情況下應(yīng)首先考慮零件的使用性能，對一般機械零件來說，則要考慮其力學(xué)性能[2]。對非金屬材料制成的零件還應(yīng)注意其工作環(huán)境，因為非金屬材料對溫度、光、水、油等的敏感程度比金屬材料大的多。

2.2選材的工藝性原則

工藝性原則是指所選用的材料能否保證順利地加工制造成零件。例如某些材料僅從零件的使用要求來看是完全合適的，但無法加工制造或加工制造很困難，成本很高，這些都屬于工藝性不好。因此，材料工藝性能的好壞，在決定零件加工的難易程度、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等方面起著十分重要的作用，是選材時必須同時考慮的另一個重要因素。

2.3選材的經(jīng)濟性原則

經(jīng)濟性原則是指所選用的材料加工成零件后能否做到成本低廉，價格便宜。從選材的經(jīng)濟性原則考慮，應(yīng)盡可能選用貨源充足、價格低廉、加工方便、總成本低的材料。一般來講在滿足零件使用性能的前提下，盡量優(yōu)先選用廉價的材料，能用碳素鋼的，不用合金鋼；能用低合金鋼的不用高合金鋼；能用鋼的就不用有色金屬。此外，考慮經(jīng)濟性要從長遠觀點出發(fā)，不能僅看眼前利益。一些暫時看起來成本費用高的材料，由于其使用壽命長、維護保養(yǎng)費用少，從長遠觀點來看，經(jīng)濟效益還是好的。如高速柴油機曲柄、連桿等零件，其質(zhì)量好壞會直接影響整臺機器的壽命，一旦該零件失效，將造成整臺機器的損壞事故，因此為了提高這類零件的使用壽命，即使材料價格和制造成本較高，而綜合來看，其經(jīng)濟性仍然是合理的[3]。還須注意，在選用高分子材料時，除考慮上述三項原則外，還應(yīng)著重考慮在使用條件下，周圍環(huán)境（如溫度、水、氧、光、油等）對其性能的影響。

3選材的步驟

機械工程材料的選擇是一項十分重要又復(fù)雜繁瑣的工作。其基本步驟如下。

（1）分析零件對所選材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的工作條件，零件的強度、剛度、穩(wěn)定性計算等。

（2）對可供選擇的材料進行篩選，現(xiàn)代工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。把所有的工程材料都當(dāng)作選擇對象，根據(jù)材料的性能要求進行篩選。

（3）對可供選擇的材料進行評價。

（4）最佳材料的決定。

（5）零件所選材料的實際驗證。

4選材的方法

4.1綜合分析性能指標(biāo)，全面考慮選材原則

機械工程實踐中，大多數(shù)零件是在多種應(yīng)力條件下工作的，而每個零件的受力情況又因零件的工作條件不同而不一樣。因此，在選材時應(yīng)根據(jù)零件最主要的性能要求，作為選材的主要依據(jù)。綜合考慮零件的強度、剛度、磨損、溫度和耐腐蝕性等這幾項指標(biāo)。比如，強度應(yīng)當(dāng)考慮受載狀態(tài)和應(yīng)力種類。對于一般齒輪，由于其表面受接觸應(yīng)力較大，所以應(yīng)選擇可以進行局部強化處理的材料。如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼等，以保證齒輪所要求的表面性能。另外，我們從蝸桿傳動工作中可以看出，由于點面間存在相當(dāng)大的滑動，容易導(dǎo)致齒面磨損或膠合。為減小摩擦和磨損，以提高傳動承載能力和效率，一方面要有良好的潤滑，另一方面對蝸輪副提出耐磨、減振和抗膠合的綜合性能要求。采用鋼質(zhì)蝸桿時，要求采用青銅蝸輪輪圈。由于錫是稀有金屬，而青銅儲量又日漸稀少，價格昂貴。所以從這個角度上講，采用青銅蝸輪輪圈是不經(jīng)濟的。但是，如果為了減小磨損，從齒形齒面改變接觸線形狀，使得齒面間更容易形成潤滑油膜，往往伴隨著加工工藝的復(fù)雜化。因此，不能側(cè)重某一方面，忽略另一方面。要盡可能地全面考慮材料的選用原則，在滿足力學(xué)性能的前提下還應(yīng)充分考慮材料的工藝性和經(jīng)濟性。

4.2結(jié)合實際典型零件，類比分析選材方法

機械制造中零件的種類較多，性能要求不一，而滿足這些零件性能要求的材料也多。每種材料都有各自的特點，比較看來，金屬材料具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，因此常被廣泛使用。下面通過對幾種典型零件的淺析來進一步說明合理選材的方法。

（1）機床齒輪。作為機床齒輪，主要要求疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度，要求有較高的耐磨性，足夠的沖擊韌性，以及良好的切削加工性。如果采用中碳鋼表面淬火到低溫回火，可以滿足要求；采用低碳鋼經(jīng)滲碳后淬火到低溫回火，也能滿足性能要求。當(dāng)然若采用38CrMoAl經(jīng)氮化處理，制作機床齒輪，往往也足以滿足使用要求。比較以上三種選材和加工工藝方式，考慮其經(jīng)濟性。采用高頻表面淬火工藝是最便宜的，其次采用滲碳工藝，而氮化工藝是最貴的。

（2）軸類零件。軸類零件在機械工程中應(yīng)用也很廣泛。對于軸的材料要滿足剛度、強度、耐磨性及耐腐蝕性等方面的使用要求，軸的材料最常采用的是碳素鋼和合金鋼。而碳素鋼比合金鋼價格低，對應(yīng)力集中敏感性較低，同時還可以通過熱處理方法提高其耐磨性和抗疲勞強度，具有較高的綜合力學(xué)性能。合金鋼比碳素鋼具有更高的力學(xué)性能和淬透性好，但價格較貴，對應(yīng)力集中較敏感。通過比較，一般軸的材料選用45鋼，不重要或受力較小的軸，采用Q235、Q255等普通碳素鋼。對于傳遞大動力，并要求重量輕、尺寸小耐磨性高或一些特殊條件下使用的軸，可選用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼。

（3）機體類零件。機體類零件是機器的基礎(chǔ)件，機器上許多零部件都是裝在機體上的，有的部件還在機體的導(dǎo)軌上運動。因此機體是整臺機器的裝配和調(diào)整基準(zhǔn)，機器各部件的相互位置精度，以及一些部件的運動精度，都和機體本身的精度有直接的關(guān)系[4]。各種機體零件由于功用不同，結(jié)構(gòu)形狀往往差別較大，但結(jié)構(gòu)上仍有一些共同特點，例如輪廓尺寸較大、重量較大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜及剛性較差。主要加工表面為一些固定連接各部件的平面，精度要求較高的孔和作為有些部件運動基準(zhǔn)的導(dǎo)軌面等。綜合考慮，機體最常用的材料為灰鑄鐵，其優(yōu)點是容易制造形狀復(fù)雜的機體，成本較低，抗振性及切削性能均好。例如，銑床的床身，刨床、鏜床的立柱以及多種拖拉機、柴油機的汽缸體均采用這種材料制成。有時為了滿足制造周期短的要求，也有用鋼板焊接而成的機體。

（4）箱體類零件。常見的箱體類零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工的表面多，要求高，機械加工的工作量大。箱體的結(jié)構(gòu)和材料的選擇，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提高勞動生產(chǎn)率都有重要意義[5]。由于鑄鐵容易成形、切削性能好、價格低廉、吸振性和耐磨性也較好。因此，箱體零件材料大都采用鑄鐵。在某些特定的條件下，也有采用其它材料的如飛機發(fā)動機箱體為了減輕重量，常用鋁鎂合金制造。

5結(jié)束語

綜上所述，在機械工程材料的選用過程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作要求，使零件經(jīng)久耐用，而且要求選材有較好的加工工藝性和經(jīng)濟性。以提高零件的質(zhì)量，降低成本，減少消耗，真正做到機械工程材料的合理選用。

參考文獻

[1]文九巴.機械工程材料[M].北京:機械工程出版社.

[2]凌愛林.金屬工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社.

[3]鄭明新.工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社.

[4]陳蘊博.機械工程材料優(yōu)選方法的研究現(xiàn)狀[J].機械工程學(xué)報.

[5]張景棟.工程材料的選用[J].科技信息.

作者：王廣辰 仙運昌 單位：山西陽煤化工機械（集團）有限公司