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          機械設計中的材料的選擇和應用

          發布時間: 2017-03-13 08:58 字號:

          機械設計中的材料

          隨著工業發展的高速前進,人們對機械設計材料的選擇和應用的要求也越來越高,做好機械設計的材料的選擇十分重要,這也成為了機械設計行業的難點和重點,在保證機器正常的剛度強度下,節約材料,環保節能,提高機械的經濟性,適用性成為了本行業研究的重點。本文簡述了關于機械設計的材料選擇和應用的重要意義,對機械設計材料的特點和選擇進行了分析。

          一、機械設計中的材料的選擇和應用的分析

          隨著經濟的高速發展,環境、資源等諸多問題也慢慢隨之浮出水面,在大量開發之后一些機械設計中重要的資源已經變得越來越少,盡管我國地大物博,但人口眾多導致了人均占有量居世界末尾,同時一些競爭引發了資源的不穩定性,使得機械制造的材料成本增高,進一步壓縮了應用空間,因此我們應該在機械設計的材料選擇方面做更多的研究,以便于減輕機械制造的負擔,增加機械效率,提高機械壽命,同時也做到節能減排,保護環境,為可持續發展做出貢獻。

          二、機械設計常用的材料

          1、金屬材料

          在各類工程材料中,以金屬材料(尤其是鋼鐵)使用最廣。據統計,在機械制造產品中,鋼鐵材料占90%以上。鋼鐵之所以被大量采用,除了由于它們具有較好的力學性能(如強度、塑性、韌性)外,還因為價格相對便宜和容易獲得,而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類鋼材中,由于合金鋼的性能優良,因此常常用來制造各種零件。

          除鋼鐵以外的金屬材料均為有色金屬。在有色金屬中,鋁同及各合金的應用最多。其中有的質量最小,有的導熱性和導電性能好等優點,通常還可以用于減摩及耐腐蝕要求的場合。

          2、高分子材料

          高分子材料通常包含三大類,即塑料、橡膠及合成纖維。高分子材料有許多優點,如原料豐富,可以從石油天然氣和煤中提取,或地區是所需的能耗低;密度小,平均只有鋼的1/6;在適當的溫度范圍內有很好的彈性;耐腐蝕性好等。例如,有“塑料王”之稱的聚四氟乙烯有很強的耐腐蝕性,其化學穩定性也極強,在極低的溫度下不會變脆,在沸水中也不會變軟。因此,聚四氟乙烯在化工設備和冷凍設備中有廣泛應用,但是高分子材料也有明顯缺點,如:容易老化,其中不少材料阻燃性差,總體上講,耐熱性差。

          3、陶瓷材料

          作為工程結構陶瓷材料,有以氮化硅,碳化硅為主要成分的高溫結構陶瓷,有以氧化鋁為主要成分的刀具結構陶瓷。陶瓷材料的主要特點是:硬度高、耐磨、耐腐蝕、熔點高、剛度大以及密度比鋼鐵低等,。陶瓷材料常被稱為:“像鋼一樣強,像金剛石一樣硬,像鋁一樣輕”的材料。目前,陶器材料已應用于密封件、滾動軸承和切削刀具等結構中,但是陶瓷材料的主要不足是比較脆,斷裂韌度低,價格昂貴加工工藝性能差。

          4、復合材料

          復合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學性能的材料復合而成,不同的材料可分別作為材料的基本相和增強相。增強相起著提高基本想的強度和剛度的作用,而基本相起著使增強相定型的作用,從而獲得單一材料難以達到的優良性能。

          三、機械設計材料的選擇原則

          (一)載荷應力大小和性質

          這方面的因素主要是從強度觀點來考慮,用在充分了解材料的力學性能的前提下來進行選擇。脆性材料原則上只適用于只在靜載荷下工作的零件。在多少有些沖擊的情況下,應以塑性材料作為主要使用的材料,。金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善,因此,要充分利用熱處理手段來發揮材料的潛力。對于最常用的調質鋼,由于其回火溫度的不同,可得到力學性能不同的毛坯。

          (二)機械的工作情況

          工作溫度對材料選擇的影響,一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數不能相差過大,以免在溫度變化時產生過大的應力,或者是配合松動;另一方面也要考慮材料的力學性能隨溫度而改變的情況。機械在工作中有可能發生磨損之處,要提高其表面硬度,以增強耐磨性。因此,應選擇合適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。

          (三)零件的復雜程度及材料加工可能性

          結構復雜的零件宜選用鑄造毛坯,或用板材沖壓出元件后再經焊接而成。結構簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。

          (四)機械的經濟性

          1、材料本身的相對價格。當用價格低廉的材料能滿足使用要求時,就不應該選擇價格高的材料。這對于大批量制造的零件尤為重要。

          2、材料的加工費用。例如制造某些箱體類零件,雖然鑄鐵比鋼板廉價,但在批量小時,選用鋼板焊接比較有利,因此可以省掉鑄鐵的生產費用。

          3、材料的利用率。例如采用無切削或者少切削毛坯(如精鑄,模鍛,冷拉毛坯等),可以提高材料的利用率。

          4、采用組合結構。例如火車車輪是一般材料的輪芯外部熱套上一個硬度而耐磨損的輪轂。

          5、節約稀有材料。例如鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦,用錳硼系合金鋼代替鎳系合金鋼。

          6、材料的供應狀況。對于小批量的零件應盡量減少同一部機器上使用的材料品種和規格。

          結語:機械設計材料選擇在工程上的應用十分重要,我們要從材料的種類和材料的應用原則兩方面進行對對材料的選擇,才能更加環保,高效的完成設計。

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