機(jī)械工程材料選用研究

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摘要：機(jī)械行業(yè)的發(fā)展為社會(huì)經(jīng)濟(jì)起著保障性的作用。機(jī)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(shí)際，步步深入地進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)；材料；性能；選材

1選材的意義

現(xiàn)代化的工業(yè)進(jìn)程對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)提出了新的要求。機(jī)械設(shè)計(jì)中,材料的選擇是非常重要的。合理選用機(jī)械工程材料對(duì)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(shí)際工作中，往往由于選材不當(dāng)，使機(jī)械零件的使用性能達(dá)不到規(guī)定的技術(shù)要求．從而導(dǎo)致機(jī)械零件在使用過(guò)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。可見(jiàn)材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題，材料選擇合理與否直接影響到機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和功能。因此，必須加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇的工作力度。下面就如何合理選用機(jī)械工程材料的問(wèn)題談?wù)勎覀€(gè)人的看法，提出來(lái)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(diǎn)。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(jì)性。力爭(zhēng)使各項(xiàng)花費(fèi)的總和達(dá)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(jì)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(jī)械零件能否保證其使用性能。材料的使用性能是指機(jī)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(shí)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(qiáng)度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的無(wú)嚴(yán)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(duì)一般機(jī)械零件來(lái)說(shuō)，則要考慮其力學(xué)性能[2]。對(duì)非金屬材料制成的零件還應(yīng)注意其工作環(huán)境，因?yàn)榉墙饘俨牧蠈?duì)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(lái)看是完全合適的，但無(wú)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(shí)必須同時(shí)考慮的另一個(gè)重要因素。

2.3選材的經(jīng)濟(jì)性原則

經(jīng)濟(jì)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(jià)格便宜。從選材的經(jīng)濟(jì)性原則考慮，應(yīng)盡可能選用貨源充足、價(jià)格低廉、加工方便、總成本低的材料。一般來(lái)講在滿足零件使用性能的前提下，盡量?jī)?yōu)先選用廉價(jià)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(jì)性要從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)出發(fā)，不能僅看眼前利益。一些暫時(shí)看起來(lái)成本費(fèi)用高的材料，由于其使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用少，從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)來(lái)看，經(jīng)濟(jì)效益還是好的。如高速柴油機(jī)曲柄、連桿等零件，其質(zhì)量好壞會(huì)直接影響整臺(tái)機(jī)器的壽命，一旦該零件失效，將造成整臺(tái)機(jī)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(jià)格和制造成本較高，而綜合來(lái)看，其經(jīng)濟(jì)性仍然是合理的[3]。還須注意，在選用高分子材料時(shí)，除考慮上述三項(xiàng)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(duì)其性能的影響。

3選材的步驟

機(jī)械工程材料的選擇是一項(xiàng)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(duì)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(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算等。

（2）對(duì)可供選擇的材料進(jìn)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(duì)象，根據(jù)材料的性能要求進(jìn)行篩選。

（3）對(duì)可供選擇的材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（4）最佳材料的決定。

（5）零件所選材料的實(shí)際驗(yàn)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(jī)械工程實(shí)踐中，大多數(shù)零件是在多種應(yīng)力條件下工作的，而每個(gè)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(shí)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(qiáng)度、剛度、磨損、溫度和耐腐蝕性等這幾項(xiàng)指標(biāo)。比如，強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)考慮受載狀態(tài)和應(yīng)力種類。對(duì)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(jìn)行局部強(qiáng)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(dòng)工作中可以看出，由于點(diǎn)面間存在相當(dāng)大的滑動(dòng)，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(dòng)承載能力和效率，一方面要有良好的潤(rùn)滑，另一方面對(duì)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(shí)，要求采用青銅蝸輪輪圈。由于錫是稀有金屬，而青銅儲(chǔ)量又日漸稀少，價(jià)格昂貴。所以從這個(gè)角度上講，采用青銅蝸輪輪圈是不經(jīng)濟(jì)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(rùn)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(jì)性。

4.2結(jié)合實(shí)際典型零件，類比分析選材方法

機(jī)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(diǎn)，比較看來(lái)，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(guò)對(duì)幾種典型零件的淺析來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明合理選材的方法。

（1）機(jī)床齒輪。作為機(jī)床齒輪，主要要求疲勞強(qiáng)度，尤其是彎曲疲勞強(qiáng)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(jī)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(jì)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(jī)械工程中應(yīng)用也很廣泛。對(duì)于軸的材料要滿足剛度、強(qiáng)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(jià)格低，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，同時(shí)還可以通過(guò)熱處理方法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)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(jià)格較貴，對(duì)應(yīng)力集中較敏感。通過(guò)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(duì)于傳遞大動(dòng)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(jī)體類零件。機(jī)體類零件是機(jī)器的基礎(chǔ)件，機(jī)器上許多零部件都是裝在機(jī)體上的，有的部件還在機(jī)體的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。因此機(jī)體是整臺(tái)機(jī)器的裝配和調(diào)整基準(zhǔn)，機(jī)器各部件的相互位置精度，以及一些部件的運(yùn)動(dòng)精度，都和機(jī)體本身的精度有直接的關(guān)系[4]。各種機(jī)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(diǎn)，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(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的導(dǎo)軌面等。綜合考慮，機(jī)體最常用的材料為灰鑄鐵，其優(yōu)點(diǎn)是容易制造形狀復(fù)雜的機(jī)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(jī)、柴油機(jī)的汽缸體均采用這種材料制成。有時(shí)為了滿足制造周期短的要求，也有用鋼板焊接而成的機(jī)體。

（4）箱體類零件。常見(jiàn)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(jī)械加工的工作量大。箱體的結(jié)構(gòu)和材料的選擇，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提高勞動(dòng)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(jià)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體為了減輕重量，常用鋁鎂合金制造。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在機(jī)械工程材料的選用過(guò)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(jì)性。以提高零件的質(zhì)量，降低成本，減少消耗，真正做到機(jī)械工程材料的合理選用。

參考文獻(xiàn)

[1]文九巴.機(jī)械工程材料[M].北京:機(jī)械工程出版社.

[2]凌愛(ài)林.金屬工藝學(xué)[M].北京:機(jī)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(yùn)博.機(jī)械工程材料優(yōu)選方法的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).

[5]張景棟.工程材料的選用[J].科技信息.

作者：王廣辰 仙運(yùn)昌 單位：山西陽(yáng)煤化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司