在機械設計中有關于材料選擇與作用的研究
1、材料選擇與應用對機械設計的意義
隨著現代化工業體系的不斷完善，機械設計和加工行業的環境產生了新的變化，需求量的增加和要求的提高，導致材料的短缺。在機械設計中選擇合理的材料和進行適當的處理，是實現材料高效利用和達到設計要求的重要保證，還可以降低企業的成本和提高產品的設計質量，是現代機械設計行業的發展方向。最好的設計方案應該是在滿足了機械設計的使用功能的前提下將材料成本降到最低的范圍，即壽命匹配原則。壽命匹配原則是指，在機械設備的整個生命周期內，所有的零部件的使用壽命于此保持一致。如一部汽車的設計壽命為十年，那么其零部件的設計壽命也要在達到十年的時候基本到達報廢的程度，這樣就最大的發揮了材料的潛力，物盡其用。
2、機械設計中對材料的選擇
2.1 堅持實用性的原則材料選擇的實用性是機械設計選材的首要要求，這是保證材料性能和質量的根本。機械設備的不同零部件對于材料有不同的要求，一些零部件需要耐磨性很強的材料，一些零部件則側重于對材料強度的要求，還有的零部件需要考慮材料的美觀性。堅持根據不同零部件的不同要求來進行材料的選擇，準確的判斷零部件對材料的要求，是實現實用性選材的保證。
2. 2 選擇合適材料載荷類型實踐操作告訴我們，在機械設計中出現的大多數問題是由于機械材料的外載荷性能所導致的，但是機械零部件的應用性能可以對此進行有效地控制，因此，在進行機械設計的選材時，要以零部件材料的荷載性作為選材的重要標準。材料的荷載性能主要可以歸納為以下幾個方面：①在選材的過程中。如果選擇的材料需要承受這種荷載力的作用，可以用中碳鋼調質或者低碳鋼滲碳的工藝對進行加工。②對于單純承受壓縮或拉伸力的部件材料，要選擇性能分布更加均勻的材料如彈簧鋼或對低碳鋼以淬火強韌化的處理。
2. 3 碳素鋼和合金鋼的選擇目前，在各種材料上，碳素鋼是使用率較高的一種材料，由于加工工藝好、價格便宜等特點，使碳素鋼被廣泛采用。但是碳素鋼也具有韌性較差，中等形狀以上的零件不能整體淬透等缺點。為了改善這一問題，在碳素鋼中加入適當的合金元素，形成一種新的材料，即合金鋼。合金鋼提高了材料的韌性以及增加了淬透性等作用，增加了在一些特殊環境下的適應性，保證了機械設計的質量和資源的有效利用。
2.4 選擇環保型材料在機械設計的過程中，有些材料會對人體產生一些有害的影響，含有這些物質的材料在廢棄后，也會對水源和土壤造成污染。例如在集成電路板上廣泛利用，當電路板被廢棄后，這種材料很難回收，往往進行填埋處理。但這個元素可溶于水，通過對水資源的污染從而對整個生物鏈產生危害。類似于這樣的材料要謹慎的選擇 此外，還要從循環利用的角度去選擇材料，多采用一些合金系列的材料來制作零部件，合金系的組元越少，環境承載的壓力也會減少，合金的循環利用的性能就會相應的提升。
3、機械設計選材的應用的技術手段
3.1 調質工藝以及有關的設計應用布氏硬度計算公式：
HB=0.3trb(N/mm2或MPa)熱處理技術是現在最為常見的調質技術，機械設計中的大多數零部件都可以通過調質技術來進行處理，其效果就是可以有效的提高材料的綜合性能，提高材料的拉升強度以及屈服強度，讓材料更具強度和可塑性，就可以讓零件在設計中使用更小的截面從而有效的減小整個機械設別的重量和節省機械空間。一個零部件是否需要調質處理時要根據零件的強度做出判斷的，并不是所以的零件都需要進行調質。
調質的.過程是淬火加高溫回火，首先需要將零件加熱到一定的溫度，保溫一段時間后放入油中或水中冷卻，冷卻后立即進行回火，以降低淬火應力，調整材料的結構成分，從而達到機械要求的性能標準�；鼗饻囟鹊闹贫ㄊ歉鶕牧系挠捕群托阅艿母叩蛠頉Q定的，硬度和強度越高，回火的溫度越低。調質后的任何高于回火溫度的加熱，都將降低以達到的強度。因此，一定要根據實際的需要來確定是否應該選擇調質工藝，而且設計時必須先在圖紙上明確標注調質的強度或機械性能的值。選擇調質處理材料時一般需要注意以下幾點：① 圖紙中應注明調質，若只是注明熱處理等，廠家可能會采用其他的熱處理辦法進行處理，如正回火處理。但正回火處理所達到的相同硬度材料，其屈服強度和沖擊功會小得多 在實際的工作中足零部件過早斷裂。②調質的范圍和硬度要按照材料的標準選擇，這有利于工廠配爐生產。③硬度要與所要求的強度相匹配，設計師在工作中必須注意，圖紙中要求的強度要與硬度相互匹配，否則難以同時滿足。
3.2 滲碳處理滲碳處理是常用的表面硬化處理工藝，是指在滲碳爐中將低碳鋼表面的碳含量增加至規定范圍然后進行淬火，是表面的硬度達到設計的要求，然后再進行低溫回火以消除應力和穩定組織。滲碳工藝采用的是專業的滲碳鋼，設計時可根據工件的具體情況來選擇材料和滲碳的深度，以達到最好的效果和節約成本。層深的增加意味著滲碳時間的延長，成本的增加。
3.3氮化處理原則上來說，任何的鋼材都需要進行氮化處理，但在實際工作中最常用的氮化鋼是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化爐內進行的，具有變形小的優點。氮化后一般可不加，氮化的硬度根據材質而定，在設計時盡量采用整體氮化的處理，對必修進行局部氮化的零部件要做局部保護，淡化后處理到不需要氮化部位的保護層。此外，氮化前必須首先對選材進行調質處理，以提高心部的機械性能，為氮化做準備。氮化工藝的熱處理變形小，硬化層淺，特備適用于與調質工藝相結合來提高零部件的強度、耐磨性和耐腐蝕性，適用于在周期載荷下工作的零部件，如軸承等。
3.4表面淬火是成本較低的一種硬處理辦法，工藝簡單，適用于零部件的局部處理，特別是對耐磨性的提高。表面淬火只加熱表面層，心部的強度還保持原來的狀態。一般包括高頻感應加熱、中頻感應加熱、噴水冷卻和低溫回火幾個程序。表面淬火后的零部件產生了較多的殘余壓應力。
因而使材料的疲勞程度大大提高。設計時要考慮不可將殘余拉應力留在齒根處等零件應力集中部位，以免在工作應力與殘余應力疊加時造成零件的斷裂。薄板類零件本身容易變形，表面淬火時要考慮應力的平衡問題，如將薄板類工件設計成雙面淬火，是一種行之有效的解決辦法。表面淬火前要先進行調質處理，一是提高心部的強度，另一方面也是可以減少淬火帶來的變形和裂紋傾向。
4、總結
隨著社會的不斷發展，機械設計行業所面臨的挑戰和要求也越來越多。機械設計行業關系到現代化工業和社會經濟的發展，保障機械設計工作具有重大的意義。材料的選擇和應用是機械設計中的重點，合理的選擇零件的材料，并選擇適當的工藝進行處理使之能夠滿足結構要求和使用需要，是現代機械設計需要考慮的問題。做好這一點，才能保證機械設計行業的健康發展。
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