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摘要：機械零部件設計的合理性除了結構及加工工藝合理外，材料的選擇也是至關重要的因素。它影響到零部件的加工性能及使用性能。材料的選取是在保證材料的使用性能與產品的功能下選取易于加工制造的經濟合理的材料。因此材料的選取對機械設備的制造成本有直接影響。本文對機械設計過程中材料的選取方法經行探究，以供設計人員參考。
關鍵詞：加工性能；使用性能；經濟合理；材料的選取
0引言
隨著制造業的發展，機械產品使用量也在不斷增加，加上各類有限元分析軟件的發展，機械零部件的結構設計水平有了很大的提高，機械產品質量問題更多地表現在材料的選取上，合理的選取材料能有效地提高設備的工作效率，提升機械的壽命。
1常見機械工程材料的分類及特性
目前機械設計中常用的工程材料包括：金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及復合材料。金屬材料由于在力學性能、工藝性能和采購成本方面的優勢應用最廣泛。陶瓷材料有硬、脆、耐磨、耐高溫及耐腐蝕的特性，但是其加工性能較差，一般應用在刀具及模具上。高分子材料密度低、彈性好、耐磨，但是強度及剛度低，且容易老化，一般應用在受力不大的零部件上。復合材料與陶瓷材料和高分子材料相比具有更好的抗疲勞性能、比強度及耐磨性。但是材料成本高，一般應用在航空、武器等重要領域。
2材料的選取原則
材料選取在滿足使用性能及強度要求下要充分考慮經濟成本及環境因素，同時盡量避免稀有材料的浪費。主要選擇原則如下：
2.1按使用性能選擇
材料的使用性能包括物理性能、化學性力學性能及功能特性等四個方面。選擇零件材料前要充分分析零件的工況：首先確定受力狀態，載荷的性質、受力的形式、載荷的分布情況、載荷的大小，受拉應力還是壓應力，靜載荷下一般考慮材料的屈服極限，交變載荷下考慮材料的疲勞強度，沖擊載荷下需要考慮材料的沖擊韌性；其次確定零件的工作環境，零件滿足的溫度的變化范圍，零件接觸的介質，如果是腐蝕性介質，材料要滿足耐腐蝕性。另外，還要考慮零件是否便于潤滑、潤滑的形式、零件的導熱要求及磁性要求。充分的分析零件的使用性能才能進一步確定材料要滿足的要求，縮小材料選取的范圍。
2.2按工藝性能選取
材料的工藝性能是指材料滿足各種加工的能力，它關系到零件的制造成本及生產效率。選取時應在滿足使用要求的情況下選取易于加工成形其利用率高的材料。選擇加工工藝性好的材料可降低加工能耗、自身材料消耗、降低工時及提高成品率等。是降低零件制造成本一個重要因素。
2.2.1鑄造性能
鑄件在重型設備零部件中占有相當大的比重，鑄件的質量直接影響零部件的機械強度，因此選擇材料時需要在滿足機械強度的情況下要考慮材料的鑄造性能，易于鑄造的材料熔點低、結晶區間小。一般鑄鐵、鑄鋁合金、鑄銅合金應用比較廣泛。同時由于受力狀態及強度的要求鑄鋼件應用也較多，由于碳含量越高越難鑄造，一般選用中、低碳鋼。
2.2.2壓力加工性能
壓力加工性能包括變形抗力、變形溫度區間、加熱及冷卻方面的要求。鑄鐵件由于比較脆，不能壓力加工，碳鋼的壓力加工能力與含碳量成反比，含碳量越高越難加工。所以一般高碳鋼適用于熱壓力加工。鋁合金、銅合金、低碳鋼的壓力加工形能較好。
2.2.3焊接性能
在機械產品的零部件中存在大量焊接件，鋼材的焊接性能與含碳量及合金含量有很大的關系，含碳量越高越焊接能力越差，中、低碳鋼焊接性能較好，要求不高的焊接件常用的焊接材料一般是Q235；合金鋼中合金元素含量越高焊接能力也越差，鋁合金、銅合金焊接性能差，焊接成本高。
2.2.4機加工性能
機加工包括切削加工和磨削加工，材料的硬度與機加工性能有直接關系，硬度越高材料越難切削，越容易磨損刀具，機加工性能就越差。一般灰鑄鐵、鋁合金、銅合金和硬度在180～230HBS的碳鋼切削性能較好。不銹鋼、高碳鋼機加工性能較差。2.2.5熱處理性能一些零部件需要進行表面熱處理來達到需要的性能。經過熱處理的零部件在機械零部件中占有比較大的比重。但純鋁、純銅單向奧氏體不銹鋼等材料不能進行熱處理。選材時應充分考慮。
2.3經濟選材原則
質量可靠、低成本、實用壽命高的機械產品具有更好的市場競爭力。選擇材料時應充分考慮材料對生產成本的影響，取得盡可能高的經濟效益。產品的成本影響因素有原材料采購成本、加工成本、產品成品率和管理成本等方面。一般需要綜合考慮各個環節，運用價值分析方法找到合理的材料。
3結論
本文列舉了機械設計中常見的工程材料，對其幾種材料的主要性能進行了分析，并從材料的選取上提出了幾點選擇原則及注意事項，為機械設計人員在選取機械零部件材料時提供一定的參考。
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作者:李兆輝 單位:沈陽科技學院
