金属材料在机械设计中应用

　　随着社会经济的快速发展，机械制造业的发展速度也十分惊人，金属材料也是机械制造业中不可忽略的部分，本文主要研究金属材料在机械设计中应用。

　　《机械工业标准化与质量》(月刊)创刊于1976年，由机械科学研究总院、中国机械工业标准化技术协会主办。本刊是机械行业唯一的在全国公开发行的标准化与质量方面的宣传媒体。办刊宗旨：宣传报导国家关于机械工业标准化与质量工作的方针政策及相关法规，介绍国内外标准化与质量管理的先进方法和经验，介绍最新标准，引导企业加强标准化，促进技术进步，提高产品质量，获取最佳经济效益，是深受标准化和质量工作者欢迎的科技期刊。

　　在我国城市化建设过程中，机械制造行业在整个国民经济中占据着越来越重要的地位。各行各业对机械的需求越来越多，机械行业的发展是我国经济发展的巨大推动力。所有的金属材料均有其优缺点，不可能同时在各个方面均具有优良的性能。在设计过程中，金属材料的选择就是根据其自身的特性扬长避短，达到最佳的使用效果。材料的选择对产品质量、机械设计行业的发展具有直接的影响。而随着经济大发展，对机械的需求量也大大增加，机械加工更是面临着材料短缺的危机。面对这些现象，在进行材料选择时，必须要保证材料的强实用性、经济性、环保性，只有保证选择金属材料的正确选择，才能保证机械设计行业健康的发展。

　　1金属材料的发展

　　金属材料是指由金属元素或金属元素为主要构成的具有金属特性的材料统称[1]，包括纯金属、合金、金属间化合物和特殊材料等，金属材料通常被分为黑色金属(钢铁材料)、有色金属、特种金属。随着材料设计、加工技术及使用性能试验的进步，金属材料已经从纯金属、纯合金中摆脱出来，人们开发出了新的高性能金属材料。例如有序金属间化合物、机械合金化合金、定向凝固柱晶和单晶合金、钕铁硼永磁合金等新型材料。这些材料在机械设计中的应用产生了巨大经济效益。

　　2机械设计材料选择的原则

　　材料的选择是机械设计的重要内容之一。在材料选择时必须按照一定原则进行。

　　2.1考虑材料的载荷以及应力

　　机械设计过程中必须对金属材料的荷载水平进行选择。荷载水平较低可能会出现机械后期的使用受抑制或失效的情况，不能发挥出机械零件应有的作用。由于各种金属材料的脆性和塑性不同，脆性材料多用于静载荷下工作，而塑性材料大多用于冲击荷载情况下。设计中应对材料荷载进行和在评估，优选荷载较高的材料。另外，如有需要可以对材料进行调质、渗碳、氮化技术等处理[2]。

　　2.2考虑零件的工作环境

　　第一，考虑温度的影响，由于金属热胀冷缩的特性，温度对金属材料会有影响，但是不同材料的膨胀系数是不同的，在温度变化时，材料体积随之变化程度不同，导致材料松动。在选择材料时，必须选择膨胀系数较少的材料，且膨胀系数相差不宜过大。第二，考虑环境湿度和腐蚀性，有些零件必须处于潮湿环境和与腐蚀性介质接触的环境，这时应该选择具有良好的防锈抗腐蚀的金属材料。第三，考虑材料耐磨性，机械作业过程中会发生零件磨损现象，这时应选择硬度大，耐磨性好的金属材料，或者通过堆焊、焊接、热喷涂等提高机械零件的耐磨性[3]。

　　2.3零件的加工工艺及可实现性

　　在机械设计到完成产品过程中可能会经过切割、焊接、拼接等多种工艺[4]。如果材料既易获取又易于进行工业批量加工，还能够保证产品性能，则在机械设计过程中则应优选该种金属材料。机械设计过程中，必须考虑零件的加工工艺和可实现性。

　　2.4失效性

　　任何机械零件在使用过程中，经过一段时间均会产生一定的损坏，使其达不到预期要求或损坏。在进行材料选择时，考虑到金属材料制作的零件的时效性，通过实验选择合适的材料[5]。

　　2.5材料的经济性

　　在机械设计材料选择时，应该进行成本核算，在保证其机械性能同时，选用价格比较低廉、加工工艺成本低的材料。且所选用的材料供应量大，获得方便。

　　2.6材料无害化

　　在机械设计过程中尽量不选择含有镍、铅、铬等元素的金属材料，这些金属元素会对人体健康产生不利影响。在材料加工过程中，其废弃物排放后会产生环境污染，直接或经过在生物体内积累对人体产生影响，因此在选择金属材料时，一定要谨慎选择。

　　2.7材料的可循环使用性

　　机械设计中，为了使金属材料性能达到预期效果，需将若干种金属混合为合金使用。这种合金材料相对于纯金属材料回收难度大大提高增加了回收成本。一旦机械报废，金属材料难以回收。为了实现资源的合理利用，在选择金属材料时，尽量选择单个的合金，而且合金的组成元素种类越少越好。

　　3金属材料应用注意事项

　　3.1选材时应注意其经济实用性

　　机械设计过程中，材料的选择和应用属于重点内容。机械设计最终产品须满足实用性的要求，这主要由材料的使用和加工工艺决定。首先，对于机械设计者来说，在选择加工工艺之前需对设计进行综合性评价，对市场上各个材料的加工工艺、材料性能、材料价格、设计实现可能性等进行整理分析。其次，设计人员应先确定加工工艺，再进行金属材料的选择，保证生产设备的实用性。金属设备的生产涉及铸造、生产、装配以及焊接等加工工艺，不同工艺对材料的要求不同，加工工艺确定后，材料选择就会受到限制。例如采用铸造工艺时，需要使用具有良好流动性、收缩性、偏折性的材料;采用锻造工艺，需要选择抗冲击性强、可锻性高、有良好的冷镦性和断后冷却性的材料。最后，考虑技术材料自身的性能是否符合设计要求。由于碳素钢或合金钢材料具有良好的加工性能，价格适中、性价比较高，是机械设计中较常用的金属材料之一。由于碳素钢韧性不足，有些中等型材不能够直接加工。为了提高其实用性，可以通过加入适宜成分制造成具有耐腐蚀性、耐磨性、耐高温性强的合金钢。另外，金属材料选择时应尽量考虑到材料的经济性。选用价格便宜、各项成本较低、加工工艺成熟、适用性广的材料。

　　3.2选材时应注意节能性和环保性

　　机械设计过程中要坚持低碳环保、可持续发展的原则。首先，材料选择时，应选择加工工艺成熟、污染少、能耗低的金属材料，降低对环境的污染和能源的消耗;其次，选择材料时，考虑其可回收性，减少机械产品中所用金属材料的种类，优先考虑可回收、可再生、易降解的材料，避免资源的浪费;再次，选择材料时注意材料的失效性，选择符合设计要求的、失效时间邻近的金属材料，提高材料的利用率，避免资源的浪费;最后，无害化也是金属材料选择必须要注意的问题之一。金属合金制作加工过程中会产生有害废物，选择危害性小或寻找新型无害的材料替代原材料，降低材料加工废物对环境和人体的毒害作用。