机械工程中材料的选用探讨

孙启昆

摘 要：机械工程中材料的选用有着相当重要的作用。文章从材料选用的原则、设计思路、流程、选材的方法步步深入地探讨了材料的选用，希望能够对相关工作起到一定的借鉴意义。

关键词：机械；工程材料；选用

引言

机械的设计、制造、仿制、维修都需要运用到工程材料，工程材料是机械中不可或缺的组成部分，也是节约机械所用成本的关键所在，所以怎样在多种工程材料选择既经济又有质量保证的最佳材料是一个值得探讨的问题。

1 工程材料合理选用的原则

在工程材料的选择上应该遵循工艺性能优良、使用性能良好、充足地供货来源、价格上合理等原则，才是比较优质的工程材料。选用的材料应该具有与机械设备相适应的能量，在经过加热处理后能够在机械设备工作时适应并配合，达到良好的工作状态。材料在使用过程中表现出的性能主要有：材料的强度、塑性、韧性、硬度等力学性能；耐蚀性、抗氧化性的化学性能；电、磁、光、声、热等的物理性能。材料应该也必须符合保质保量地完成机械加工制造。铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性等工艺性能也是不可忽视的。

节能减排的发展目标，在材料的选用上也应该充分考虑到。我国是一个资源缺乏的国家，所以应该选择比较常见的材料，短缺的材料尽量少用，以便减少国家能源负担。进口材料也尽量少选择。本地区蕴藏较为丰富的原材料因为其有充足的供应量应该作为选择材料的首选。所需要的材料种类应该偏重少并且集中，这样利于采购和管理。

价格也是应该考虑的因素之一，价格却又不是单一，应该多方面统筹规划。生产过程简单、成品率比较高并且成本比较低的材料是比较理想的。机械所生产出的产品的综合成本应该考虑多方面条件：零件的重量、材料的价格、试验研究费用、零件的寿命、零件的加工费用、维修费用。如果综合成本高位运行时，材料的价格相对低时应该适当提高。价值工程原理是：价值=功能/成本。材料本身的价格、材料的性能和使用寿命都在价值的范畴之内，在材料的选用上也应该全盘考虑它的经济效益。

2 材料选用的设计思路

2.1 性能结构-选材-加工之间的关系

为了更好地选择材料，应该了解材料性能和结构之间的内部关系。材料内部的组织结构决定着材料的性能，材料内部的组织结构又受选材及其他加工工艺的影响，总之，两者之间是相辅相成，相互依存的关系。这一关系可以直接应用在实际的材料选用和工艺加工的工作中。材料要求的性能--相对应的组织结构--选择适当的材料、热处理及其它加工工艺。依据这样的思路可以依次设计出需要的材料。

2.2 选材设计的内容

2.2.1 对零件提出什么样的性能要求。

2.2.2 什么样的组织结构才能满足零件的性能要求。

2.2.3 获得这样的组织结构，需选用什么样的材料，配合什么样的热处理及其它加工工艺。

2.3 选材与选择热处理和其它加工工艺可以同时进行

2.3.1 材料的选用其实只是使材料能够有一个良好的性能储备空间，却没有将潜力发挥出来，性能指标远远没有达到。

2.3.2 经过热处理工艺，可以将实际的性能从材料储备环节中转化出来。将材料的选用和热处理工艺同时操作，所要求的使用及工艺性能才能最大限度地预测出来。

2.3.3 除了热处理工艺，像铸、锻、焊等其他工艺也和材料的选用有着莫大的关系，也将影响最终性能。另外，这些工艺在可操作性上、质量的优劣、成本的高低在很大程度上都与材料的选用相关，同时进行方可见成效。

3 材料选用的设计流程

材料选用的设计流程大体如下：工件实际使用的目标——材料的性能要求、确定材料的类别——材料的组织结构并加以分析——选择相应热处理或是其他工艺——试验、调整最后选定材料。

4 选材的步骤

4.1 明确工件实际使用目标

了解工件的功能、工作可靠性、寿命期限、成本要求等。

4.2 分析工作条件、失效形式、加工方法等对选材的影响

工件的工作条件：受力大小、分布、速度、周期属于受力状况范围内；工作温度有高温、室温、低温之分；环境中腐蚀情况。磨损失效、断裂失敛、变形失效、疲劳失效是工件的几种失效形式。材料的选择又受到工件的可靠性、寿命、加工等条件的制约，都应该是考虑的范畴。

4.3 提出性能（力学及工艺性能）要求

性能的提出要有主有次，抓住主要矛盾。性能指标要考虑尺寸效应的影响，确定性能指标可通过经验、类比、计算、试验等方法。

4.4 确定所选材料的类别

金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料是材料的几大类型，其中又有多个小类别包含于这几大类中。

4.5 提出与要求性能相对应的材料组织结构

分析有哪些组织结构符合或接近所要求的性能，可提出多个方案。

4.6 相应热处理与其它加工工艺

可以将所有可以组合而成的热处理与其它加工工艺和与之匹配的组织结构的方案总结归纳在一起，优先考虑符合实际情况的方案，再综合考虑成本、生产条件、补给情况和以往的经验教训等因素，再确定材料选用方案。

5 结构件的选材设计

5.1 结构件的性能要求

结构零件主要起到承载受力、传递运动、传递动力、改变运行方向等作用。为了选材的方便，可把结构件的性能要求分解成两部分，为整体性能和局部性能。在加工制造时，整体性能可把整体结构采取整体处理获得，而局部性能可在局部部位进行热处理达到。

5.2 结构件的选材设计

铣床、C6160车床主轴，M7475磨床主轴的选材：（1）工作条件：在滑动轴承支持下工作；中等或重载荷；转速较高；较高交变冲击（2）性能要求：整体综合力学性能及疲劳抗力高；局部的轴颈及锥体部分高硬度耐磨。（3）组织结构设计：整体为S回；局部的轴颈及锥体部分表层为M回。（4）选材：40cr；45MnB；40MnVB。（5）热处理：锻造一退火（或正火）调质（840～860℃油淬+540～620℃回火，220～280HB）一轴颈及锥体部分高频淬火（860～880℃）+回火（160～280℃），表层40～55HRC。

6 工具件的选材设计

6.1 工具件的性能要求

工具件主要用作为刃具、量具、模具等工具零件，在选材时常常把它的性能要求分解为工作部分性能和其它部分性能来考虑。加工制造时，可采用整体结构整体处理加局部处理，或采用组合结构分开制造及处理，而后组装。

6.2 工具件的选材设计

车刀、刨刀、镗刀的选材。工作条件：受很大的切削力和摩擦磨损；局部温度500～600℃；冲击、交变载荷。性能要求：工作部分（切削部位）高硬度（>62 HRC）、高耐磨性、热硬性好；其它部分足够强韧性；工艺性较好、工作时不氧化、不粘结、化学稳定性好。结构设计：工作部位为M回+未溶碳化物，其它部位为S回或T回。热处理：锻造球化退火一淬火（1200～1280℃）+回火（550～620℃）。刃部64～69HRC；其它部分可降低硬度，适当提高强韧性。

参考文献

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