机械设计中金属材料的选择及应用研究

高 霞，徐 静，刘瑞霞

（鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

近年来随着我国科学技术的不断发展，对于机械制作行业也起到了良好的促进作用。在这一趋势下对于机械设计工作也提出了更高的要求。金属材料的选用作为机械设计中的重要内容，但是目前我国机械材料市场还不够完善，在机械设计过程中选用的金属材料还会受到一定的限制，这也就需要相关设计人员能够进行金属材料的合理选择，充分发挥出金属材料的作用，促进机械设计质量跟设计效果进一步提高。

1 机械设计中金属材料选择的基本原则

1.1 荷载的大小与性质

荷载大小在机械设计中有着非常重要的意义，因此在金属材料的选择过程中，还需要对材料荷载的承受能力进行综合性考虑，确保金属材料的荷载性能能够满足机械设计需求。此外在金属材料选择过程中还要结合机械设计的具体需求，进行材料性质的综合性分析[1]。

1.2 零件结构的复杂程度跟材料加工性能

在机械设计过程中，零件结构越复杂表明在制作过程中所采用的加工技术手段就越多。一般机械制造的加工手段包含有焊接、冲压元件以及毛坯制造等等，这也就需要在结合了加工手段基础上，对金属材料的加工性能进行考虑。在机械设计中进行金属材料选择时，需要就金属材料的冲压性能、切削性能、焊接性能以及铸造性能进行明确，随后根据零件结构的复杂程度对材料的加工性能进行明确。如果我们所选择的金属材料不符合机械零件的加工性能，则无法应用到机械制造之中[2]。

1.3 零件的工作环境

不同工作环境下的零件，对于金属材料的性能也存在有一定差异性，这也是机械设计中进行金属材料选择时所需要重点关注的问题。在金属材料选择时，需要就常见的压力变化、温度变化、电导率变化以及体积变化等工作环境进行明确，比如在湿热工作环境下金属材料还容易受到腐蚀的情况，因此机械设计中需要选用一些抗腐蚀能力比较强的金属材料，这样才能够避免环境因素对于材料所造成的损害情况发生，保障机械产品的运行可靠性不会受到外界环境的影响。

1.4 零件的尺寸与质量

机械设备生产过程中对于零件质量与精度有着非常高的要求，为了保障零件制造能够满足机械设备的后续生产需求，还需要加强对金属材料选择工作的重视力度。如果所选择的机械材料无法满足零件加工精度与质量的具体要求，也就不能应用到机械设计过程中。

1.5 材料经济性

材料经济性会直接决定机械设备的生产效益，因此在金属材料选择过程中，除了材料性能能够满足机械设备的实际上生产需求之外，还需要就材料的经济性进行综合性考虑，做好材料设计中所有环节的成本计算，通过适当的材料组合，降低机械设备的生产成本。因此设计人员还需要对材料市场有充分掌握，并在保障材料性能满足机械设计基础上，尽可能选择一些经济性比较高的金属材料，为机械制造企业带来良好的经济效益。

1.6 材料的适用性

在金属材料选择过程中还要遵循适用性原则，保障金属材料的功能能够得到最大限度的发挥。比如说碳钢素金属材料在机械零件加工中比较常见，但是在淬火加工过程中还容易出现变形或者断裂的情况，因此在一些需要进行淬火处理的机械零件制作过程中，不得采用碳钢素金属材料进行材料制备。只有保障材料的适用性，才能够满足机械制作的设计需求，为企业带来更大的经济效益。

2 机械设计中应用的技术手段

2.1 调质工艺与设计应用分析

在传统的机械材料加工处理过程中，后期零件的重量跟截面是无法得到改变的，也就容易导致机械设备出现体积或者重量增大的情况。通过热处理的方式则能够对该问题起到良好的解决效果。通过热处理方式能够让金属材料的拉伸强度以及屈服度进一步提高，增强材料的可塑性以及零件的整体应用性能。此外热处理方法对机械零件的截面也能够起到良好的优化效果，在机械设计中有着重要的应用价值。在机械设计过程中应用调质工艺时还需要做好以下几个方面的工作内容：①注明调质：在进行金属材料的热处理时，如果只是单纯进行热处理，可以采用该方式。比如在调质技术应用中，通过正回火工艺大幅度提高材料硬度，但是设计人员还要注意正回火工艺会降低材料的冲击强度，导致材料断裂率提高，需要在结合实际设计需求进行制造工艺的合理选择[3]。②明确调质硬度范围。在利用调质技术进行金属材料性能优化时，需要对材料的硬度范围进行明确，避免后续生产过程中出现超出标准范围的情况发生，保障机械生产环节的有序开展。③材料要求适应性。在应用调质技术时，需要严格按照相关规范标准进行操作，并且要求材料性能以及操作流程能够符合相关机械设计规范。

2.2 表面硬化技术与选材

机械设计材料需要后期进行再加工处理，比如通过表面硬化技术促进零件自身的耐磨性以及抗蚀性进一步提高。目前在机械设计与制造过程中选用的表面硬化技术具体包含有渗碳技术以及氮化技术两种类型，其处理方法以及应用特点也存在有较大差异性。一般在采用渗碳技术提升金属材料避免硬化度时，需要在操作过程中将材料放置到渗碳炉中，增加钢材材料的碳含量，随后进行淬火处理，让材料硬度进一步提高，最后通过低温回火技术提高材料稳定性。如果在机械设计中需要对金属材料进行渗碳技术处理，在金属材料选择过程中要对零部件的尺寸、芯部强度进行明确，避免过度使用材料所导致的成本增加问题发生。一般零部件有效截面积小于50mm时可以选用20Cr以下的材料，如果截面积在50m2～150m2但是重量小于50kg时，一般可以选择20Crmnti。在结合实际需求进行渗碳程度的选择。

在进行氮化处理过程中，常用的是45型号的氮化处理技术，并且具备有能够显著减少变形率的应用优势[4]。在氮化炉中进行金属材料性能的改善时，能够直接省去后续的施工环节，促进加工处理质量进一步提高，还能够显著避免再次处理过程中所耗费的时间与资源。针对部分有着特殊要求的机械零件，可以结合其他调质技术，促进金属材料的强度与耐磨性进一步提高。

3 机械设计中金属材料的选择策略

3.1 选择低能耗的金属材料

近年来随着我国可持续战略的推行，在机械材料设计过程中还需要进行节能理念的不断渗透。除了保障金属材料的性能标准能够满足机械制造需求外，还要符合绿色发展观的具体需求，选择一些污染交底以及能耗较少的材料。通过低能耗金属材料的应用，可以显著减少机械加工生产过程中产生的废物与废气，对于我国生态环境也能够起到良好的保护效果。此外为了满足我国环保制造理念的具体要求，可以选择一些只需要进行冷轧或者热轧就可以加工处理的金属材料，这样不仅可以显著减少材料在加工过程中出现的事故发生率，还有着节能环保的应用优势。需要注意的是因为金属材料自身性能存在有一定差异性，因此在具体热处理施工过程中所采用的施工工艺也存在有一定差异性，为了有效减少金属材料加工过程中导致的能耗，机械设计过程中还要尽量选择一些加工工序比较少的金属材料，借此在满足了机械设备实际加工生产需求基础上，减少金属材料在加工过程中对于环境的污染以及能源损耗，从而实现经济效益与生态效益的协同发展，对于机械制造企业的持续稳定发展也有着重要意义。

3.2 进行环保型材料的选择

一些材质的金属材料还有着可回收性以及再生能力强的应用优势，在机械设计过程中还能够实现材料的循环使用，并有着良好的环保效果。因此在金属材料的选择过程中需要尽量挑选一些环保型材料，这样不仅能够实现经济上的有效节约，对于我国生态环境也有着一定的保护效果。在机械制作中所应用到的金属材料类型比较多，不同类型的金属材料其制作工艺也存在有一定差异性。因此在保障了金属材料使用性能基础上，在材料选用过程中需要尽量避免过于复杂，因为如果材料的种类比较多，还会导致废弃回收难度进一步增加，导致材料浪费等问题发生。

3.3 选择新型安全材料

近年来随着我国科学技术的不断发展，越来越多的新型材料在机械制作中也获得了良好的应用效果，其安全性能与环保性能较之于传统材料也得到了大幅度的提升，对于环境保护工作也有着积极意义。一般情况下传统的金属材料自身还具备有非常强的危害性，在后期加工过程中因为一系列的化学变化，还会导致有害气体产生，对于接触者与当地环境也会造成严重损害。因此在机械设计过程中进行金属材料的选择时，还需要在满足了机械设计要求基础上，尽可能选择新型材料来进行机械零件的制造工作，避免传统材料使用中所造成的经济损失跟生态破坏。例如金属泡沫材料就是一种比较安全的应用材料，不仅对人体以及环境不会产生副作用，还有着可循环利用、适用性强的应用优势，在高功率的机械电子设备中也能够获得良好的应用效果。

4 结语

综上所述，近年来随着我国社会经济的不断发展，制造行业水平也得到了一定程度的提升，对于机械设备的要求跟需求量也得到了一定程度的增加。金属材料作为机械设计工作中的重要内容，金属材料的选择合理性在一定程度上会影响到机械产品的生产质量以及生产效益，这也就需要相关设计人员能够加强对该方面工作的重视力度，遵循相关原则进行金属材料的合理选择，还要兼顾到机械设备制作过程中的经济效益跟生态效益，只有这样才能够获得良好的机械设计效果，对于我国制作企业的发展也有着积极意义。