机械设计中工程材料的选择与应用要点

□郭 伟

天津第二锻压机床厂天津300402

机械设计中工程材料的选择与应用要点

□郭 伟

天津第二锻压机床厂天津300402

以机械设计中的材料为主要研究对象，立足于材料选择和应用的实际情况，贯彻可持续发展观等观点，从材料选择的意义与原则两方面入手，进行了详细分析和阐述，论证了机械设计中材料的选择和应用对机械生产、加工、节能减排、绿色环保起到的重要作用。

在制造业中，机械设计是一个重要课题，无论是经典设计、经验设计还是理论设计都离不开材料。新模式、新技术、新理念、新工艺、新方法的不断涌现，对机械制造技术装备提出了更高的要求，而材料选择和工艺制定则是实现这些要求的基础和前提。转变经济发展方式，从粗放型向集约型转变，机械行业也不例外，绿色设计、绿色加工、绿色制造对材料的选择提出了新的要求。

1 机械设计中工程材料选择的意义

在机械制造、交通运输、国防、日常生活等各个领域都大量用到工程材料，生产实践中往往由于选材不当造成了产品早期失效，因此，如何合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作。了解和熟悉材料性能，并合理选材是充分发挥工程材料内在潜力的重要前提，下面简要介绍机械零件选材的要点[1]。

2 选材的一般原则

选材的总原则是：首先，保证机械零件的使用性能，使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能等；然后，考虑工艺性能，工艺性能是指材料对各种加工工艺的适应能力，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等；最后，考虑经济性和环保性等。

2.1 材料的使用性原则[2]

在选择材料时，必须根据零件在整机中的作用，以及零件的尺寸、形状、受力情况等，提出材料应具备的力学性能指标，一般应注意以下几点。

（1）零件的使用条件和失效形式。分析机械零件在产品中的受力状况，即承受怎样的载荷，包括拉伸、压缩、扭转、弯曲等，还需要考虑载荷的性质，如静载荷、冲击载荷、变载荷等。此外，零件的使用环境，如温度和介质等，以及如电导性、绝缘性、磁性、热导性等特殊要求也需要考虑。分析零件的失效形式，即零件在使用过程中会因某种性能不足而出现相应形式的失效。可根据零件的失效形式，分析得出起主导作用的使用性能，并以此作为选材的主要依据。例如，长期以来人们认为曲轴主要承受高冲击力和大磨损，但失效分析结果表明，曲轴破坏主要是疲劳失效，所以，以疲劳强度作为主要设计依据，其质量和寿命会有很大提高。

（2）确定使用性能指标和数值。通过对零件失效形式的分析，确定零件对使用性能的要求后，进一步转化为实验室性能指标和数值，这是选材极其重要的步骤。

（3）根据力学性能选材应注意的问题。在零件所要求的力学性能指标和数值确定后便可进行选材，适当应用强化的方法来充分发挥材料潜力，选材时将材料与强化两者结合起来综合考虑，同时注意正确使用手册和相关资料，特别是注意手册中数据的测定条件。正确使用硬度指标，设计中常用硬度作为控制材料性能的指标，在技术条件中常用硬度来表明对零件力学性能的要求，但硬度指标有其局限性，因此在设计中提出硬度值的同时，还要对热处理工艺做出明确规定，对某些重要零件还要规定其它力学性能要求。

2.2 材料的工艺性原则

零件都是由不同的工程材料经过一定的加工制造而成的，因此，材料的工艺性能，即加工成合格零件的难易程度，也是选材要考虑的重要问题。选材中，与使用性能相比，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，如批量生产，工艺性能就成为选材考虑的主要依据。材料的工艺性能好坏对零件加工生产有直接的影响，主要的工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削性能和热处理性能等[3]。

从材料成型工艺角度出发，如果是铸件，对材料有收缩性、流动性、偏析性、吸气性等热裂倾向性的要求，最好选用共晶成分及其附近的合金。如果是锻件、冲压件，对材料有锻后冷却、冲压性、可锻性和冷镦性的要求，最好选用固溶体的合金。如果是焊接件，对材料有焊接接头使用性能及敏感性的要求，最好选用低碳钢、低合金钢。热处理工艺对材料有氧化脱碳倾向、回火脆性倾向、过热敏感性、淬透性及变形开裂倾向的要求[4]。

对于切削加工件，为了便于切削，希望钢铁材料的布氏硬度HBS控制在170～230之间。一般而言，碳钢的锻造、切削加工等工艺性较好，力学性能可以满足一般零件的使用要求，因此碳钢的用途较广，但其强度不够高，淬透性差，所以制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件时常选用合金钢。合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工等工艺性能较差。材料的切削加工性是指在一定的切削条件下材料切削加工的难易程度，通常可用一些指标衡量，并对显著反映材料切削加工性的指标用公式和图表列出，以便做出相应的定性分析。

（1）用刀具耐用度衡量。刀具耐用度越高，材料的切削加工性越好，刀具耐用度T为：

式中：CT为使用寿命系数，与工件材料、刀具和切削条件有关；vc为切削速度，m/min；f为进给量，mm/r；ap为背吃刀量，mm。

（2）用切削力和切削温度衡量。在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。工件材料的强度、硬度等各项力学指标提高时，产生的切削热增大，切削温度升高。工件材料的热导率越大，通过切屑和工件传出的热量也越大，切削温度下降就越快。图1列出了4种材料的切削温度，以便对比[5-6]。

（3）用加工表面质量（表面粗糙度、加工硬化、残余应力）衡量。表面加工质量越好，则切削加工性也越好。

切削硬度低、塑性大的材料，如不锈钢、低碳钢，容易产生积屑瘤，影响表面粗糙度，从而影响工件质量，使切削加工性变差。

工件材料硬度越低，塑性越大，加工硬化程度和硬化层深度Δhd也越大，切削加工后产生的残余应力同样越大，如图2所示。

加工硬化程度N为：

式中：H0为基体的显微维氏硬度；H为硬化层显微维氏硬度。

图1 各种材料的切削温度

图2 加工硬化与表面深度的关系

（4）用断屑性能衡量。在相同切削条件下，所形成的切屑便于清除，则切削加工性好。

2.3 材料的经济性原则[7]

机械设计和生产过程中，在满足使用性能和工艺性能的前提下，选材还需要考虑经济性。

（1）尽量降低材料的加工成本。在满足使用性能和工艺性能的前提下，考虑机械零件的成型方法及最佳加工工艺路线。能用铸铁时不用钢，能用非合金钢时不用合金钢，用热处理强化碳钢代替合金钢，能用硅锰钢时不用铬镍钢，能用型材时不用锻件、切削加工件，且尽量用加工性能好的材料，能正火使用的零件不必调质处理。材料来源要广，并考虑材料的再生利用率，尽量选择符合我国资源条件的材料，不用我国稀缺而需要进口的材料。

（2）采用组合结构。如蜗轮齿圈用耐磨性好的贵金属，如ZCuSn10Pb1，而其它部分采用铸铁等廉价材料。

（3）用非金属材料代替金属材料。非金属材料资源丰富，性能在不断提升，应用范围不断扩大，尤其是发展较快的高分子聚合物、陶瓷、复合材料等具有优异的性能，在某些场合完全可以代替金属材料，既改善了使用性能，又降低了制造成本和使用维护费用。

（4）降低零件总成本。零件总成本包括原材料价格、零件加工制造费用、管理费用、试验研究费用和维修费用等，选材时不能一味追求原材料低价而忽视总成本的其它各项。

（5）采用标准化设计，提高产品质量，降低成本。做好设计阶段的标准化工作是降低产品成本、提高产品质量的重要途径，对零件的尺寸结构要素、材料性能、检验方法、设计方法等制定出共同遵守的标准，从而简化设计工作，缩短设计周期，提高零件的性能和可靠性，加快产品研发制造周期，降低成本[8]。

3 选材注重绿色环，同时贯彻可持续发展观

机械设计中材料的选择和应用应当重视绿色环保。随着经济的快速发展，一定程度上会对自然环境造成破坏，资源的短缺，环境受到污染，因此，在机械设计阶段，要充分考虑材料选择和应用的环保问题。数据表明，铸件设计阶段5%的成本，决定着铸件生产70%～80%的成本。所以在设计阶段注重绿色环保，可以节约原材料和成本，减少不必要的资源浪费。同时，机械设计中选材要注重可持续发展，使材料的选择和应用达到最佳效果，有效整合机械设计和原材料资源，充分挖掘材料的潜力[9-10]。

4 结束语

社会在发展，人类在进步，机械制造技术的发展渗透在整个人类文明发展史中，机械产品也越来越先进。为了更好地满足企业的发展需求，机械设计时对材料的选择、应用和标准化提高到了一个新水平。笔者对机械设计材料的选择意义与要点进行了简要分析和说明，希望能够为今后工程领域的相关研究与实践工作提供一定的参考与帮助[11]。

[1]黄梦奇，王婧.浅谈机械设计中材料的选择和应用[J].机电信息，2012（6）：133-134.

[2]王杰，程明远，李士晓.浅谈机械设计加工中应注意的几个问题[J].科技信息，2011（11）:512-513.

[3]杨林保.机械设计发展概述[J].鄂州大学学报，1995（1）：13-18.

[4]吕广蔗，张远明.工程材料及成形技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5]张世昌.机械制造技术基础[M].天津：天津大学出版社，2002.

[6]邓建新，冯益华，艾兴.高速切削刀具材料的发展、应用及展望[J].机械制造，2002,40（1）：11-15.

[7]董刚，李建功，潘凤章.机械设计[M].3版，北京：机械工业出版社,1999.

[8]张世昌.先进制造技术[M].天津：天津大学出版社，2004.

[9]赵忠国.机械设计中的材料的选择和应用[J].科技风，2011(17):58.

[10]王世敬，温筠.现代机械制造技术及其发展趋势[J].石油机械，2002，30（11）：21-24.

[11]杜君文.机械制造技术装备及设计[M].天津：天津大学出版社，1998.

Took the materials in mechanical design as the main object for study and implemented the viewpoint of sustainable development based on the actual situation in material selection and application.Detailed analysis and elaboration were carried out starting from the two aspects i.e.meaning and principle of material selection.It demonstrated that material selection and application during mechanical design play an important role in mechanical production&processing,energy saving&emission reduction and environmental protection.

机械设计；材料选择；应用

MechanicalDesign；Stock Option；Application

TH122

B

1672-0555（2016）03-062-04

2016年3月

郭伟（1977—），男，本科，助理工程师，主要从事机械设计工作