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摘要：本文簡單介紹了金屬材料在機械設計中選擇的基本原則，重點探討了其應用措施，包括調制工藝、表面硬化技術等，旨在充分發揮金屬材料在機械設計中的作用，保障金屬材料具有實用性、經濟性、環保性，促進機械制造業快速發展，提高國民經濟水平。
關鍵詞：金屬材料；機械設計；選擇應用
機械設計是機械制造的前提，材料選擇在機械制造過程中至關重要。隨著科學技術的快速發展，增加了對機械的需求量，對機械設備的質量有較高的要求，導致材料出現短缺的情況，因此，要科學選擇金屬材料，促進機械制造業不斷發展。
1金屬材料在機械設計中選擇的基本原則
1.1載荷的大小與性質
在機械加工過程中，有很多類型的零件或材料最后無法使用，主要由于該材料沒有較好的載荷力，不能使零件或材料的作用充分發揮，因此，在機械設計過程中，要根據載荷的大小和性質選擇材料，其中，低碳鋼滲碳、中碳鋼調質等方法是最常見的。載荷大小和載荷性質在機械設計中是非常重要的，要將材料載荷的承受力考慮到機械設計中，材料的載荷力和較好的可塑性，能夠保證機械設備的正常使用。設計師在機械設計過程中，要想保證機械的使用效果，防止因載荷水平差出現不良反應，要對材料嚴格判斷、選擇。因此，在機械設計中，要對材料進行評估，若有需要，還要對材料進行調質、滲碳、氮化等技術處理。
1.2零件的尺寸和質量
在機械制造過程中，對零件的尺寸和質量有較高的要求，會因為材料選擇不當，出現金屬材料質量或尺寸不合格的情況，導致資源浪費，對企業的經濟產生影響，因此，零件的尺寸和質量會影響機械設備的質量，選擇材料時，要小心謹慎，若選擇的金屬材料不符合零件的尺寸和質量要求，則不能使用。
1.3零件結構的復雜性和加工性能
機械零件在機械設備生產過程中，是至關重要的，機械零件主要是由原材料加工而成的，對機械零件的整體質量都會產生影響，不同的材料包含的參數都不相同，若選擇的材料不能滿足后期加工的需要，則會影響零件的質量。同一種類的金屬材料，生產不同的金屬零件，其加工難度也不相同，也會因此，在機械設計中，要考慮金屬零件結構的復雜性和加工性能。對于較復雜的零件，可以使用技術加工的方法，如焊接等。在金屬材料的加工性能方面，主要針對金屬材料本身的沖壓切削能力、鑄造焊接性能等進行考驗。
1.4零件的工作環境
在機械設計中，零件的工作環境會對金屬材料產生影響，各機械零件對所處的環境有不同的要求，因此，要根據具體的設計環境選擇金屬材料。首先，金屬材料的選擇要考慮溫度因素，由于金屬材料會隨著溫度的變化而變化，導致金屬體積的變化幅度不同，膨脹的程度也不同；其次，金屬材料的選擇要考慮環境的濕度和對金屬的腐蝕性，防腐蝕性、防銹性的金屬材料適合在腐蝕性的環境中工作；最后，金屬材料在使用過程中會出現磨損的情況，而硬度大、耐磨性好的金屬材料可以延長機器設備的使用期限。例如，在較為濕熱的環境中，金屬材料極易受外部環境影響，出現腐蝕的情況。所以，在機械設計中，要選擇抗腐蝕性強的金屬材料，避免出現因環境因素損害材料的情況。
1.5零件的經濟性
經濟效益是每個企業的經營目標，在機械制造業中也不例外。選擇性價比較高的材料，有利于減少企業的運營成本。要對材料的價格、材料的加工難度、材料的轉化率進行充分了解，保證材料的供應，有利于幫助企業減少生產成本。
2金屬材料在機械設計中的應用措施
2.1調質技術和有關設計應用分析
傳統金屬材料的加工處理方式不能改變零件的重量和截面，使機械設備的體積與重量較大?，F階段，可以使用熱處理的方法改變零件的重量和截面，例如，調質技術能夠增強金屬材料的拉伸強度、屈服度以及可塑性，可以提高零件的整體性能，減少零件的重量和改變零件的截面。只有金屬材料需要進行熱處理時，可以使用調質技術。金屬零件切削加工功能的好壞，會對產品加工質量、生產效率、生產成本等方面產生影響，對金屬材料進行綜合分析，使用調質技術改善金屬材料的質量，使其硬度保持在170～230HBS，可以對切削加工功能進行改善。例如，在金屬零件材料的加工過程中進行鍛件設計時，要選擇共晶成分等可塑性較強的合金材料。若在進行焊接結構設計時，要選擇低碳鋼或合金鋼材料。
2.2表面硬化技術和選材
機械設計材料在后期都需要進行表面硬化等加工處理，增強零件的耐磨性與抗腐蝕性。一般，在實際工作中經常使用滲碳技術、氮化技術等兩種表面硬化處理技術，這兩種技術的處理方式與特征都存在較大的差異性，但都依靠滲碳爐完成。將金屬材料放進滲碳爐，可以增加金屬材料中的碳含量，再進行淬火處理，增加金屬材料的硬度，最后使用低溫回火技術清除應力，增強穩定性。在設計時要嚴格根據材料設計在零件尺寸、芯部強度等方面的具體要求，使資源能夠得到有效利用。通常來說，有效的截面面積不超過50mm，可以選擇20Cr；若截面面積在50～150m2，重量不超過50kg，可以選擇20Crmnti。要按照具體需求確定滲碳層度的深度，能夠降低成本，若滲碳層越深，則滲碳的時間越長。氮化處理技術適用于任何鋼制材料，是目前較常見的一種技術，可以提升設計的質量，增強機械材料的穩定性。在進行氮化處理時，經常使用45型號氮化處理技術，可以降低變形率，但是材料的硬度不會增加。除此之外，使用氮化技術能夠提高加工處理的質量，減少處理的時間，減少資源浪費，并且為防止材料受到損害，可以將其部分位置進行保護，加工完成后可以去除保護層，能夠增加材料的硬化層，提高耐磨性。
2.3環保節能性
目前，隨著城市化進程的不斷加快，環境污染問題越來越嚴重，在機械設計與生產過程中，設計人員要提高環保意識，避免材料中含有鎳、鉛等危險元素，才能防止出現資源浪費的情況，保護使用者的身體健康。（1）選擇污染較小、能耗較低的材料。設計人員在選擇材料時，要選擇低耗能、低污染的材料，不使用需要進行熱處理的材料。由于在后期需要進行預熱反應的材料，稍不注意就會縮短材料的使用壽命，對環境產生影響。在機械設計中使用金屬材料要重視其環保節能性，秉承可持續發展理念。首先，要選擇污染較小、能耗較低的材料，防止材料在加工過程中出現大量廢氣、廢料，減少資源浪費。金屬材料在進行熱處理后，會提高其自身的性能，延長使用期限，但是熱處理的加工過程會消耗大量的能源，導致出現環境污染的情況，因此，要盡量減少使用需要熱處理的材料。當不得不使用需要熱處理的材料時，要選擇熱處理工序少的材料，降低資源消耗，減少污染。（2）選擇可回收的材料。機械在使用過程中會出現磨損、報廢等情況，要優先選擇可回收、可降解、無污染的材料，使機械在報廢后可以再次回收利用，減少資源浪費。若廢棄的資源不能再回收利用，不僅會對環境造成污染，還會影響人體的健康。因此，在機械設計過程中要在零件的性能不受影響的情況下，選擇可回收利用的材料，減少橡膠、金屬混合等材料的使用。（3）選擇新型的安全材料。一些物質材料在機械加工制造過程中會產生有害物質，不僅會影響人體的健康，還會對環境造成危害。因此，設計人員要優先選擇新型的安全材料，避免使用含有有害物質的材料。例如，在機械設計中選擇金屬泡沫，既可以實現循環再利用，還不會對人體和環境產生危害。機械零件在機器運行過程中會出現磨損的情況，會影響機械設備的使用性能。因此，設計人員在選擇材料時，要對零件的時效性充分考慮，提高零件的使用率。
2.4經濟實用性
金屬材料的經濟實用性是指材料的性價比較高，并且能夠將其自身的功能充分發揮。例如，在機械設計中，碳素鋼是一種極常見的生產原料，并且碳素鋼的價格極低，但是，碳素鋼的韌性較差，強度較低，在制造中等形狀的過程中使用碳素鋼，不能將其完全萃透，導致碳素鋼受到影響。因此，在碳素鋼中增加一定的合金元素，可以增強其硬度和韌性，提高了材料的抗高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性，并且不同材料的加工技術都各不相同，例如，流動性好、收縮吸氣強的材料可以使用鑄造生產技術，沖壓性好的材料可以使用焊接生產技術。選擇材料時，要優先選擇成本低、實用性強的優質材料。為保證機械設備的質量，在機械設備的設計過程中，設計人員要提高對材料選擇和其經濟實用性的認識，才能使機械設備順利生產。設計人員在選擇金屬材料時，要充分考慮使用者的具體需要，使其能夠滿足用戶的不同需求。在機械生產過程中，要嚴格按照相關標準進行生產，保證材料可以高效使用，減少成本。
3結語
隨著社會的不斷進步，機械設計行業推動了國民經濟的快速發展，金屬材料在機械設計中是至關重要的，要充分考慮金屬材料的經濟實用性和環保節能性，實現可持續發展。
參考文獻：
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[2]方偉濤.試論機械設計中金屬材料的選擇及應用[J].內燃機與配件,2020(06):224-225.
作者:李劍云 王芬芬 單位:鄭州工商學院機械動力工程系
