機械工程材料選用研究論文

　　摘要：機械行業(yè)的發(fā)展為社會(huì )經(jīng)濟起著(zhù)保障性的作用。機械工程中材料的合理選用有著(zhù)相當重要的作用。文章從選材的意義、原則、步驟、方法等方面，結合實(shí)際，步步深入地進(jìn)行了探討。希望能夠對相關(guān)工作起到一定的借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：機械設計；材料；性能；選材

　　1選材的意義

　　現代化的工業(yè)進(jìn)程對機械設計行業(yè)提出了新的要求。機械設計中,材料的選擇是非常重要的。合理選用機械工程材料對充分發(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，節省工程材料，降低生產(chǎn)成本等方面起著(zhù)重大影響。實(shí)際工作中，往往由于選材不當，使機械零件的使用性能達不到規定的技術(shù)要求．從而導致機械零件在使用過(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�？梢�(jiàn)材料的選擇是機械設計中的重點(diǎn)問(wèn)題，材料選擇合理與否直接影響到機械設計的質(zhì)量和功能。因此，必須加強機械設計中材料選擇的工作力度。下面就如何合理選用機械工程材料的問(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)濟性。力爭使各項花費的總和達到最低值。最終做到：“材料的使用性能足夠、工藝性能良好、供應上能保證、經(jīng)濟性應合理”[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械零件能否保證其使用性能。材料的使用性能是指機械零件在正常工作情況下材料應具備的性能。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。不同零件所要求材料的使用性能是不一樣的，有的要求強度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的無(wú)嚴格的性能要求，只需保證一定形式的外表即可。在大多數情況下應首先考慮零件的使用性能，對一般機械零件來(lái)說(shuō)，則要考慮其力學(xué)性能[2]。對非金屬材料制成的零件還應注意其工作環(huán)境，因為非金屬材料對溫度、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(zhù)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)濟性原則

　　經(jīng)濟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)濟性原則考慮，應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(mǎn)足零件使用性能的前提下，盡量?jì)?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)濟性要從長(cháng)遠觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，不能僅看眼前利益。一些暫時(shí)看起來(lái)成本費用高的材料，由于其使用壽命長(cháng)、維護保養費用少，從長(cháng)遠觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，經(jīng)濟效益還是好的。如高速柴油機曲柄、連桿等零件，其質(zhì)量好壞會(huì )直接影響整臺機器的壽命，一旦該零件失效，將造成整臺機器的損壞事故，因此為了提高這類(lèi)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)，除考慮上述三項原則外，還應著(zhù)重考慮在使用條件下，周?chē)�環(huán)境（如溫度、水、氧、光、油等）對其性能的影響。

　　3選材的步驟

　　機械工程材料的選擇是一項十分重要又復雜繁瑣的工作。其基本步驟如下。

　�。�1）分析零件對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，零件的強度、剛度、穩定性計算等。

　�。�2）對可供選擇的材料進(jìn)行篩選，現代工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料四大類(lèi)。把所有的工程材料都當作選擇對象，根據材料的性能要求進(jìn)行篩選。

　�。�3）對可供選擇的材料進(jìn)行評價(jià)。

　�。�4）最佳材料的決定。

　�。�5）零件所選材料的實(shí)際驗證。

　　4選材的方法

　　4.1綜合分析性能指標，全面考慮選材原則

　　機械工程實(shí)踐中，大多數零件是在多種應力條件下工作的，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)應根據零件最主要的性能要求，作為選材的主要依據。綜合考慮零件的強度、剛度、磨損、溫度和耐腐蝕性等這幾項指標。比如，強度應當考慮受載狀態(tài)和應力種類(lèi)。對于一般齒輪，由于其表面受接觸應力較大，所以應選擇可以進(jìn)行局部強化處理的材料。如調質(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)面間存在相當大的滑動(dòng)，容易導致齒面磨損或膠合。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滑，另一方面對蝸輪副提出耐磨、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)濟的。但是，如果為了減小磨損，從齒形齒面改變接觸線(xiàn)形狀，使得齒面間更容易形成潤滑油膜，往往伴隨著(zhù)加工工藝的復雜化。因此，不能側重某一方面，忽略另一方面。要盡可能地全面考慮材料的選用原則，在滿(mǎn)足力學(xué)性能的前提下還應充分考慮材料的工藝性和經(jīng)濟性。

　　4.2結合實(shí)際典型零件，類(lèi)比分析選材方法

　　機械制造中零件的種類(lèi)較多，性能要求不一，而滿(mǎn)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）機床齒輪。作為機床齒輪，主要要求疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度，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(mǎn)足要求；采用低碳鋼經(jīng)滲碳后淬火到低溫回火，也能滿(mǎn)足性能要求。當然若采用38CrMoAl經(jīng)氮化處理，制作機床齒輪，往往也足以滿(mǎn)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(lèi)零件。軸類(lèi)零件在機械工程中應用也很廣泛。對于軸的材料要滿(mǎn)足剛度、強度、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，對應力集中敏感性較低，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，對應力集中較敏感。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）機體類(lèi)零件。機體類(lèi)零件是機器的基礎件，機器上許多零部件都是裝在機體上的，有的部件還在機體的導軌上運動(dòng)。因此機體是整臺機器的裝配和調整基準，機器各部件的相互位置精度，以及一些部件的運動(dòng)精度，都和機體本身的精度有直接的關(guān)系[4]。各種機體零件由于功用不同，結構形狀往往差別較大，但結構上仍有一些共同特點(diǎn)，例如輪廓尺寸較大、重量較大、結構形狀復雜及剛性較差。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動(dòng)基準的導軌面等。綜合考慮，機體最常用的材料為灰鑄鐵，其優(yōu)點(diǎn)是容易制造形狀復雜的機體，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、柴油機的汽缸體均采用這種材料制成。有時(shí)為了滿(mǎn)足制造周期短的要求，也有用鋼板焊接而成的機體。

　�。�4）箱體類(lèi)零件。常見(jiàn)的箱體類(lèi)零件結構比較復雜，加工的表面多，要求高，機械加工的工作量大。箱體的結構和材料的選擇，對提高產(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發(fā)動(dòng)機箱體為了減輕重量，常用鋁鎂合金制造。

　　5結束語(yǔ)

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

　　參考文獻

　　[1]文九巴.機械工程材料[M].北京:機械工程出版社.

　　[2]凌愛(ài)林.金屬工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社.

　　[3]鄭明新.工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社.

　　[4]陳蘊博.機械工程材料優(yōu)選方法的研究現狀[J].機械工程學(xué)報.

　　[5]張景棟.工程材料的選用[J].科技信息.

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