机械设计中金属材料的选择及应用

聂晓渝

四川国鑫机械制造有限公司 四川攀枝花 617000

为制造出质量更加过硬、功能更加全面的机械设备，相关研究人员不断对其设计方式进行深入分析。在不断的探索中，相关研究人员发现：机械材料的应用，在一定程度上对机械产品的质量安全控制具有重要影响。然而，当代社会稀有材料不足，不能满足其发展需求。对此，相关研究人员应该对现有材料进行合理选择，使其在实际设计工作中发挥更大的效果[1]。

1 金属材料在机械设计中选择的基本原则

1.1 荷载大小

荷载是一种力的表现形式，是指作用于物品之上，使物体的结构和表面产生变形的一种外力。不同的材料，其都具有一定荷载，这展现出材料本身对外力的承受能力。如金属材料选择不当，在其荷载小于外力的情况下，就会使金属材料在使用的过程中产生变形，进而影响到其使用性能。因此，在机械设计之初的材料选择过程中就需要考虑到材料荷载的大小，并加以计算，从而选择最为适用的材料。对待原材料的荷载要高要求，因为荷载是直接作用于零件上的，若是某些部位的荷载能力不达标会导致零件无法使用。所以针对外部荷载能力而言，零件通过外力发生变形，零件内部也会产生同等的反作用力，这些作用力统称为实际应力，承载力弱，材料质量就越低，反之亦然。为了增强材料的承载力，需要把低碳钢和中碳钢渗透到材料中，要选用质量好的碳素钢和合金钢进行加工，碳素钢的含量要低于2．2% 的碳钢，其中要含有锰、磷元素。含碳量高时，碳钢在硬度方面会有所加强，但是延展性和韧性会降低，反之亦然。并且，碳钢的成本低、性能高、可加工性强，应用前景广阔。同时，若是碳钢在硬度方面降低，延展性和韧性会增高，那么韧性高和强度低两者结合，就会导致制造和冶炼中出现裂痕。而且，使用碳钢时，有一些零件对于精度的要求低，那么碳钢就会混入一些合金，这也就是合金钢的由来。两者相比较，合金钢的强度、硬度高于碳钢，本身也有很好的韧性和渗透性。但它的冶炼工序复杂，加工工艺困难，所以在使用时成本会较高。因此，碳钢和合金钢需要进行合理的选择，大范围的截面制造时可以用合金钢，但是如果碳素钢也能达到标准，那么尽量用碳素钢，以降低制造成本。

1.2 避免周围环境对材料造成影响

金属材料在空气中容易受到影响，并产生相关的物理或化学变化。因此在选择金属材料时，相关工作人员需要考虑其实际应用环境。比如大部分金属在湿气较重、空气闷热的情况下，都会产生一定的腐蚀现象。对此，工作人员在实际选择中就应该避免这一问题，改为使用抗腐蚀的材料。

1.3 零件结构的复杂性和加工性能

机械零件在机械设备生产过程中，是至关重要的，机械零件主要是由原材料加工而成的，对机械零件的整体质量都会产生影响，不同的材料包含的参数都不相同，若选择的材料不能满足后期加工的需要，则会影响零件的质量。同一种类的金属材料，生产不同的金属零件，其加工难度也不相同，也会因此，在机械设计中，要考虑金属零件结构的复杂性和加工性能。对于较复杂的零件，可以使用技术加工的方法，如焊接等。在金属材料的加工性能方面，主要针对金属材料本身的冲压切削能力、铸造焊接性能等进行考验。

1.4 关注材料的实际使用情况

当前机械产品制造工作中，零件的使用与质量对其质量安全控制具有重要影响。金属材料、零件以及机械产品三者之间互相影响。金属材料是其零件制造的重要组成部分，在实际应用中，相关工作人员应该细致地观察其自身性质。这有助于确保其性能不受其他制造环节影响，保证其质量[2]。

2 机械设计中金属材料的具体应用

2.1 渗碳处理

渗碳处理是一种化学热处理工艺手段，其目的是为了提高金属材料表面的碳浓度，从而提高金属材料的塑性和韧性。在机械设计中，往往很多金属材料本身的性质是不能够达到设计标准的，因此渗碳处理的作用就体现了出来。一般而言，人们都会选用渗碳钢来完成渗碳的一个过程，如20CrMnTi、17Cr2Ni2Mo、20Cr 等。在具体的设计过程中，要结合实际工艺展开的需求和零件本身的性质和尺寸来合理选择渗碳需要的浓度及深度。比如，对于一些截面尺寸小于50mm 的工件，可选用20Cr 材料进行渗碳处理；对于一些截面尺寸在50mm-150mm 之间的工件，可选用20CrMnTi 材料进行渗碳处理。而渗碳处理并不是一个碳浓度越高则越好的过程。因为渗碳处理本身就会提高生产成本，如零件的塑形和韧性已经能够达到标准值，那么则无需进行渗碳处理。

2.2 氮化处理

氮化处理也是一种化学热处理方式，是通过在工件表面加入氮原子来提高工件耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性的一个过程。氮化处理常采用的氮化钢有45、38CrMoAl、40Cr 等，这是一个在氮化炉中处理的过程，对工件的形态影响较小，即在工件进行氮化处理之后就可投入使用，无需再次测算工件因氮化处理而改变的尺寸。在机械设计过程中，氮化处理往往要结合工件进行一次性处理，要精密计算出需要进行氮化处理的面积部分。比如，一些无需氮化处理的部分，在处理前就需要做好保护工作，避免处理过后再次加工，反而增加了氮化处理的成本费用和复杂性。

2.3 表面淬火

淬火是最常用、最简单也是成本费用最低的一种热处理方式，具有工艺简单灵活、能够进行局部处理的优势，有利于提高工件的耐磨性。经过表面淬火的工件，其疲劳强度将会更大。但如果表淬区域的起始点和终结点处于残余拉应力的状态下，也会降低工件表面的疲劳强度。因此，淬火也要遵循一定的技术要求。在实际设计中，要考虑到残余拉应力对工件的影响，避免残余拉应力停留在齿根处和轴的过渡圆角处，以及工件的一些相互连接的关键部位，如此降低残余拉应力的集中对工件的损坏。对于一些容易损坏的细轴和薄板类零件，其本身就容易受到处理方式的影响而产生变形，因此在设计时也需要考虑到表淬应力的平衡问题。可以在淬火前，将薄板类工件设计成双面，能够有效解决因淬火而给工件带来的变形问题。

3 金属材料在机械设计中的应用措施

3.1 调质技术和有关设计应用分析

传统金属材料的加工处理方式不能改变零件的重量和截面，使机械设备的体积与重量较大。现阶段，可以使用热处理的方法改变零件的重量和截面，例如，调质技术能够增强金属材料的拉伸强度、屈服度以及可塑性，可以提高零件的整体性能，减少零件的重量和改变零件的截面。只有金属材料需要进行热处理时，可以使用调质技术。金属零件切削加工功能的好坏，会对产品加工质量、生产效率、生产成本等方面产生影响，对金属材料进行综合分析，使用调质技术改善金属材料的质量，使其硬度保持在170-230HBS，可以对切削加工功能进行改善。例如，在金属零件材料的加工过程中进行锻件设计时，要选择共晶成分等可塑性较强的合金材料。若在进行焊接结构设计时，要选择低碳钢或合金钢材料。

3.2 选择污染小能耗低的材料

环保节能是未来主流的发展理念，在机械制造过程中也需要遵循可持续发展观的理念，尽可能的选择一些污染小、能耗低的金属材料，才能降低其对环境的污染。比如，可以选择一些材料，它们仅需要热轧和冷轧的加工状态下就达到性能提高和使用寿命增强的效果，这有利于降低加工复杂性和耗能的减少。还可以选择一些材料，它们需要进行的热处理工艺较少。热处理虽然能够提高工件的性能，但针对不同的金属材料，也会产生一定的性能影响，有利有弊。因此，较少的热处理工艺，也能降低能源的损耗，同时提高企业的经济效益。

3.3 选择危害小的新型材料

过去，由于受到加工技术的影响，在金属材料加工过程中，往往会产生一些有毒的物质，这些物质不仅会影响到现场加工人员的身体健康，更会在产品出厂后给产品的使用者带来一定的危害。在科学技术迅速发展的今天，一些新型的金属材料被广的应用于机械行业。它们危害小，甚至无危害，提高了材料加工和使用的安全程度。因此，在机械设计过程中，要尽可能的选用一些新型材料，如利用金属泡沫材料替换传统材料。这种材料不仅不会燃烧，更能进行回收使用，是真正意义上的无危害、可持续利用的有效金属材料。与此同时，要尽可能选择绿色可持续发展的材料。机械设计师要在选择质量高的原材料同时，保证环保的特性。操作者要对实际情况进行把握，在考虑高质量的基础上选择无污染的核心材料，用可回收的材料进行施工。车间加工应以车床为中心，逐步进行加工，最后达到评核线，所以，原材料的使用必须要求能通过物理化学模式的变形从而达到评核线。而且铸造工艺对材料的流动性、偏折性都有较高要求，热处理工艺对原材料有氧化。

3.4 表面硬化技术和选材机械设计材料

在后期都需要进行表面硬化等加工处理，增强零件的耐磨性与抗腐蚀性。一般，在实际工作中经常使用渗碳技术、氮化技术等两种表面硬化处理技术，这两种技术的处理方式与特征都存在较大的差异性，但都依靠渗碳炉完成。将金属材料放进渗碳炉，可以增加金属材料中的碳含量，再进行淬火处理，增加金属材料的硬度，最后使用低温回火技术清除应力，增强稳定性。在设计时要严格根据材料设计在零件尺寸、芯部强度等方面的具体要求，使资源能够得到有效利用。通常来说，有效的截面面积不超过50mm，可以选择20Cr；若截面面积在50-150m2，重量不超过50kg，可以选择20Crmnti。要按照具体需求确定渗碳层度的深度，能够降低成本，若渗碳层越深，则渗碳的时间越长。氮化处理技术适用于任何钢制材料，是目前较常见的一种技术，可以提升设计的质量，增强机械材料的稳定性。在进行氮化处理时，经常使用45 型号氮化处理技术，可以降低变形率，但是材料的硬度不会增加。除此之外，使用氮化技术能够提高加工处理的质量，减少处理的时间，减少资源浪费，并且为防止材料受到损害，可以将其部分位置进行保护，加工完成后可以去除保护层，能够增加材料的硬化层，提高耐磨性[3]。

3.5 经济实用性

金属材料的经济实用性是指材料的性价比较高，并且能够将其自身的功能充分发挥。例如，在机械设计中，碳素钢是一种极常见的生产原料，并且碳素钢的价格极低，但是，碳素钢的韧性较差，强度较低，在制造中等形状的过程中使用碳素钢，不能将其完全萃透，导致碳素钢受到影响。因此，在碳素钢中增加一定的合金元素，可以增强其硬度和韧性，提高了材料的抗高温性、耐腐蚀性、耐磨损性，并且不同材料的加工技术都各不相同，例如，流动性好、收缩吸气强的材料可以使用铸造生产技术，冲压性好的材料可以使用焊接生产技术。选择材料时，要优先选择成本低、实用性强的优质材料。为保证机械设备的质量，在机械设备的设计过程中，设计人员要提高对材料选择和其经济实用性的认识，才能使机械设备顺利生产。设计人员在选择金属材料时，要充分考虑使用者的具体需要，使其能够满足用户的不同需求。在机械生产过程中，要严格按照相关标准进行生产，保证材料可以高效使用，减少成本。

4 结语

综上所述，机械行业是推动我国工业革命发展的关键因素，从机械设计行业着手促进我国工业化技术的提升是一条可行之路。机械设计中的原材料必须秉持绿色发展、低成本高运行的宗旨，这对于整个机械发展都是有着良好的影响。当前，我国机械行业已经取得了令人骄傲的成就，但也有一些问题亟待解决。机械设计作为产品加工的第一步，要从材料的选择着手，遵循材料选择的原则，并选择一些污染小、可再生和新型的金属材料，以助推我国机械行业的进一步发展。