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在機械設(shè)計中有關(guān)于材料選擇與作用的研究
1、材料選擇與應用對機械設(shè)計的意義
隨著現(xiàn)代化工業(yè)體系的不斷完善，機械設(shè)計和加工行業(yè)的環(huán)境產(chǎn)生了新的變化，需求量的增加和要求的提高，導致材料的短缺。在機械設(shè)計中選擇合理的材料和進行適當?shù)奶幚恚菍崿F(xiàn)材料高效利用和達到設(shè)計要求的重要保證，還可以降低企業(yè)的成本和提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，是現(xiàn)代機械設(shè)計行業(yè)的發(fā)展方向。最好的設(shè)計方案應該是在滿足了機械設(shè)計的使用功能的前提下將材料成本降到最低的范圍，即壽命匹配原則。壽命匹配原則是指，在機械設(shè)備的整個生命周期內(nèi)，所有的零部件的使用壽命于此保持一致。如一部汽車的設(shè)計壽命為十年，那么其零部件的設(shè)計壽命也要在達到十年的時候基本到達報廢的程度，這樣就最大的發(fā)揮了材料的潛力，物盡其用。
2、機械設(shè)計中對材料的選擇
2.1 堅持實用性的原則材料選擇的實用性是機械設(shè)計選材的首要要求，這是保證材料性能和質(zhì)量的根本。機械設(shè)備的不同零部件對于材料有不同的要求，一些零部件需要耐磨性很強的材料，一些零部件則側(cè)重于對材料強度的要求，還有的零部件需要考慮材料的美觀性。堅持根據(jù)不同零部件的不同要求來進行材料的選擇，準確的判斷零部件對材料的要求，是實現(xiàn)實用性選材的保證。
2. 2 選擇合適材料載荷類型實踐操作告訴我們，在機械設(shè)計中出現(xiàn)的大多數(shù)問題是由于機械材料的外載荷性能所導致的，但是機械零部件的應用性能可以對此進行有效地控制，因此，在進行機械設(shè)計的選材時，要以零部件材料的荷載性作為選材的重要標準。材料的荷載性能主要可以歸納為以下幾個方面：①在選材的過程中。如果選擇的材料需要承受這種荷載力的作用，可以用中碳鋼調(diào)質(zhì)或者低碳鋼滲碳的工藝對進行加工。②對于單純承受壓縮或拉伸力的部件材料，要選擇性能分布更加均勻的材料如彈簧鋼或?qū)Φ吞间撘源慊饛婍g化的處理。
2. 3 碳素鋼和合金鋼的選擇目前，在各種材料上，碳素鋼是使用率較高的一種材料，由于加工工藝好、價格便宜等特點，使碳素鋼被廣泛采用。但是碳素鋼也具有韌性較差，中等形狀以上的零件不能整體淬透等缺點。為了改善這一問題，在碳素鋼中加入適當?shù)暮辖鹪兀纬梢环N新的材料，即合金鋼。合金鋼提高了材料的韌性以及增加了淬透性等作用，增加了在一些特殊環(huán)境下的適應性，保證了機械設(shè)計的質(zhì)量和資源的有效利用。
2.4 選擇環(huán)保型材料在機械設(shè)計的過程中，有些材料會對人體產(chǎn)生一些有害的影響，含有這些物質(zhì)的材料在廢棄后，也會對水源和土壤造成污染。例如在集成電路板上廣泛利用，當電路板被廢棄后，這種材料很難回收，往往進行填埋處理。但這個元素可溶于水，通過對水資源的污染從而對整個生物鏈產(chǎn)生危害。類似于這樣的材料要謹慎的選擇 此外，還要從循環(huán)利用的角度去選擇材料，多采用一些合金系列的材料來制作零部件，合金系的組元越少，環(huán)境承載的壓力也會減少，合金的循環(huán)利用的性能就會相應的提升。
3、機械設(shè)計選材的應用的技術(shù)手段
3.1 調(diào)質(zhì)工藝以及有關(guān)的設(shè)計應用布氏硬度計算公式：
HB=0.3trb(N/mm2或MPa)熱處理技術(shù)是現(xiàn)在最為常見的調(diào)質(zhì)技術(shù)，機械設(shè)計中的大多數(shù)零部件都可以通過調(diào)質(zhì)技術(shù)來進行處理，其效果就是可以有效的提高材料的綜合性能，提高材料的拉升強度以及屈服強度，讓材料更具強度和可塑性，就可以讓零件在設(shè)計中使用更小的截面從而有效的減小整個機械設(shè)別的重量和節(jié)省機械空間。一個零部件是否需要調(diào)質(zhì)處理時要根據(jù)零件的強度做出判斷的，并不是所以的零件都需要進行調(diào)質(zhì)。
調(diào)質(zhì)的過程是淬火加高溫回火，首先需要將零件加熱到一定的溫度，保溫一段時間后放入油中或水中冷卻，冷卻后立即進行回火，以降低淬火應力，調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)成分，從而達到機械要求的性能標準�；鼗饻囟鹊闹贫ㄊ歉鶕�(jù)材料的硬度和性能的高低來決定的，硬度和強度越高，回火的溫度越低。調(diào)質(zhì)后的任何高于回火溫度的加熱，都將降低以達到的強度。因此，一定要根據(jù)實際的需要來確定是否應該選擇調(diào)質(zhì)工藝，而且設(shè)計時必須先在圖紙上明確標注調(diào)質(zhì)的強度或機械性能的值。選擇調(diào)質(zhì)處理材料時一般需要注意以下幾點：① 圖紙中應注明調(diào)質(zhì)，若只是注明熱處理等，廠家可能會采用其他的熱處理辦法進行處理，如正回火處理。但正回火處理所達到的相同硬度材料，其屈服強度和沖擊功會小得多 在實際的工作中足零部件過早斷裂。②調(diào)質(zhì)的范圍和硬度要按照材料的標準選擇，這有利于工廠配爐生產(chǎn)。③硬度要與所要求的強度相匹配，設(shè)計師在工作中必須注意，圖紙中要求的強度要與硬度相互匹配，否則難以同時滿足。
3.2 滲碳處理滲碳處理是常用的表面硬化處理工藝，是指在滲碳爐中將低碳鋼表面的碳含量增加至規(guī)定范圍然后進行淬火，是表面的硬度達到設(shè)計的要求，然后再進行低溫回火以消除應力和穩(wěn)定組織。滲碳工藝采用的是專業(yè)的滲碳鋼，設(shè)計時可根據(jù)工件的具體情況來選擇材料和滲碳的深度，以達到最好的效果和節(jié)約成本。層深的增加意味著滲碳時間的延長，成本的增加。
3.3氮化處理原則上來說，任何的鋼材都需要進行氮化處理，但在實際工作中最常用的氮化鋼是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化爐內(nèi)進行的，具有變形小的優(yōu)點。氮化后一般可不加，氮化的硬度根據(jù)材質(zhì)而定，在設(shè)計時盡量采用整體氮化的處理，對必修進行局部氮化的零部件要做局部保護，淡化后處理到不需要氮化部位的保護層。此外，氮化前必須首先對選材進行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機械性能，為氮化做準備。氮化工藝的熱處理變形小，硬化層淺，特備適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合來提高零部件的強度、耐磨性和耐腐蝕性，適用于在周期載荷下工作的零部件，如軸承等。
3.4表面淬火是成本較低的一種硬處理辦法，工藝簡單，適用于零部件的局部處理，特別是對耐磨性的提高。表面淬火只加熱表面層，心部的強度還保持原來的狀態(tài)。一般包括高頻感應加熱、中頻感應加熱、噴水冷卻和低溫回火幾個程序。表面淬火后的零部件產(chǎn)生了較多的殘余壓應力。
因而使材料的疲勞程度大大提高。設(shè)計時要考慮不可將殘余拉應力留在齒根處等零件應力集中部位，以免在工作應力與殘余應力疊加時造成零件的斷裂。薄板類零件本身容易變形，表面淬火時要考慮應力的平衡問題，如將薄板類工件設(shè)計成雙面淬火，是一種行之有效的解決辦法。表面淬火前要先進行調(diào)質(zhì)處理，一是提高心部的強度，另一方面也是可以減少淬火帶來的變形和裂紋傾向。
4、總結(jié)
隨著社會的不斷發(fā)展，機械設(shè)計行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)和要求也越來越多。機械設(shè)計行業(yè)關(guān)系到現(xiàn)代化工業(yè)和社會經(jīng)濟的發(fā)展，保障機械設(shè)計工作具有重大的意義。材料的選擇和應用是機械設(shè)計中的重點，合理的選擇零件的材料，并選擇適當?shù)墓に囘M行處理使之能夠滿足結(jié)構(gòu)要求和使用需要，是現(xiàn)代機械設(shè)計需要考慮的問題。做好這一點，才能保證機械設(shè)計行業(yè)的健康發(fā)展。
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