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摘要：本文简单介绍了金属材料在机械设计中选择的基本原则，重点探讨了其应用措施，包括调制工艺、表面硬化技术等，旨在充分发挥金属材料在机械设计中的作用，保障金属材料具有实用性、经济性、环保性，促进机械制造业快速发展，提高国民经济水平。
关键词：金属材料；机械设计；选择应用
机械设计是机械制造的前提，材料选择在机械制造过程中至关重要。随着科学技术的快速发展，增加了对机械的需求量，对机械设备的质量有较高的要求，导致材料出现短缺的情况，因此，要科学选择金属材料，促进机械制造业不断发展。
1金属材料在机械设计中选择的基本原则
1.1载荷的大小与性质
在机械加工过程中，有很多类型的零件或材料最后无法使用，主要由于该材料没有较好的载荷力，不能使零件或材料的作用充分发挥，因此，在机械设计过程中，要根据载荷的大小和性质选择材料，其中，低碳钢渗碳、中碳钢调质等方法是最常见的。载荷大小和载荷性质在机械设计中是非常重要的，要将材料载荷的承受力考虑到机械设计中，材料的载荷力和较好的可塑性，能够保证机械设备的正常使用。设计师在机械设计过程中，要想保证机械的使用效果，防止因载荷水平差出现不良反应，要对材料严格判断、选择。因此，在机械设计中，要对材料进行评估，若有需要，还要对材料进行调质、渗碳、氮化等技术处理。
1.2零件的尺寸和质量
在机械制造过程中，对零件的尺寸和质量有较高的要求，会因为材料选择不当，出现金属材料质量或尺寸不合格的情况，导致资源浪费，对企业的经济产生影响，因此，零件的尺寸和质量会影响机械设备的质量，选择材料时，要小心谨慎，若选择的金属材料不符合零件的尺寸和质量要求，则不能使用。
1.3零件结构的复杂性和加工性能
机械零件在机械设备生产过程中，是至关重要的，机械零件主要是由原材料加工而成的，对机械零件的整体质量都会产生影响，不同的材料包含的参数都不相同，若选择的材料不能满足后期加工的需要，则会影响零件的质量。同一种类的金属材料，生产不同的金属零件，其加工难度也不相同，也会因此，在机械设计中，要考虑金属零件结构的复杂性和加工性能。对于较复杂的零件，可以使用技术加工的方法，如焊接等。在金属材料的加工性能方面，主要针对金属材料本身的冲压切削能力、铸造焊接性能等进行考验。
1.4零件的工作环境
在机械设计中，零件的工作环境会对金属材料产生影响，各机械零件对所处的环境有不同的要求，因此，要根据具体的设计环境选择金属材料。首先，金属材料的选择要考虑温度因素，由于金属材料会随着温度的变化而变化，导致金属体积的变化幅度不同，膨胀的程度也不同；其次，金属材料的选择要考虑环境的湿度和对金属的腐蚀性，防腐蚀性、防锈性的金属材料适合在腐蚀性的环境中工作；最后，金属材料在使用过程中会出现磨损的情况，而硬度大、耐磨性好的金属材料可以延长机器设备的使用期限。例如，在较为湿热的环境中，金属材料极易受外部环境影响，出现腐蚀的情况。所以，在机械设计中，要选择抗腐蚀性强的金属材料，避免出现因环境因素损害材料的情况。
1.5零件的经济性
经济效益是每个企业的经营目标，在机械制造业中也不例外。选择性价比较高的材料，有利于减少企业的运营成本。要对材料的价格、材料的加工难度、材料的转化率进行充分了解，保证材料的供应，有利于帮助企业减少生产成本。
2金属材料在机械设计中的应用措施
2.1调质技术和有关设计应用分析
传统金属材料的加工处理方式不能改变零件的重量和截面，使机械设备的体积与重量较大。现阶段，可以使用热处理的方法改变零件的重量和截面，例如，调质技术能够增强金属材料的拉伸强度、屈服度以及可塑性，可以提高零件的整体性能，减少零件的重量和改变零件的截面。只有金属材料需要进行热处理时，可以使用调质技术。金属零件切削加工功能的好坏，会对产品加工质量、生产效率、生产成本等方面产生影响，对金属材料进行综合分析，使用调质技术改善金属材料的质量，使其硬度保持在170～230HBS，可以对切削加工功能进行改善。例如，在金属零件材料的加工过程中进行锻件设计时，要选择共晶成分等可塑性较强的合金材料。若在进行焊接结构设计时，要选择低碳钢或合金钢材料。
2.2表面硬化技术和选材
机械设计材料在后期都需要进行表面硬化等加工处理，增强零件的耐磨性与抗腐蚀性。一般，在实际工作中经常使用渗碳技术、氮化技术等两种表面硬化处理技术，这两种技术的处理方式与特征都存在较大的差异性，但都依靠渗碳炉完成。将金属材料放进渗碳炉，可以增加金属材料中的碳含量，再进行淬火处理，增加金属材料的硬度，最后使用低温回火技术清除应力，增强稳定性。在设计时要严格根据材料设计在零件尺寸、芯部强度等方面的具体要求，使资源能够得到有效利用。通常来说，有效的截面面积不超过50mm，可以选择20Cr；若截面面积在50～150m2，重量不超过50kg，可以选择20Crmnti。要按照具体需求确定渗碳层度的深度，能够降低成本，若渗碳层越深，则渗碳的时间越长。氮化处理技术适用于任何钢制材料，是目前较常见的一种技术，可以提升设计的质量，增强机械材料的稳定性。在进行氮化处理时，经常使用45型号氮化处理技术，可以降低变形率，但是材料的硬度不会增加。除此之外，使用氮化技术能够提高加工处理的质量，减少处理的时间，减少资源浪费，并且为防止材料受到损害，可以将其部分位置进行保护，加工完成后可以去除保护层，能够增加材料的硬化层，提高耐磨性。
2.3环保节能性
目前，随着城市化进程的不断加快，环境污染问题越来越严重，在机械设计与生产过程中，设计人员要提高环保意识，避免材料中含有镍、铅等危险元素，才能防止出现资源浪费的情况，保护使用者的身体健康。（1）选择污染较小、能耗较低的材料。设计人员在选择材料时，要选择低耗能、低污染的材料，不使用需要进行热处理的材料。由于在后期需要进行预热反应的材料，稍不注意就会缩短材料的使用寿命，对环境产生影响。在机械设计中使用金属材料要重视其环保节能性，秉承可持续发展理念。首先，要选择污染较小、能耗较低的材料，防止材料在加工过程中出现大量废气、废料，减少资源浪费。金属材料在进行热处理后，会提高其自身的性能，延长使用期限，但是热处理的加工过程会消耗大量的能源，导致出现环境污染的情况，因此，要尽量减少使用需要热处理的材料。当不得不使用需要热处理的材料时，要选择热处理工序少的材料，降低资源消耗，减少污染。（2）选择可回收的材料。机械在使用过程中会出现磨损、报废等情况，要优先选择可回收、可降解、无污染的材料，使机械在报废后可以再次回收利用，减少资源浪费。若废弃的资源不能再回收利用，不仅会对环境造成污染，还会影响人体的健康。因此，在机械设计过程中要在零件的性能不受影响的情况下，选择可回收利用的材料，减少橡胶、金属混合等材料的使用。（3）选择新型的安全材料。一些物质材料在机械加工制造过程中会产生有害物质，不仅会影响人体的健康，还会对环境造成危害。因此，设计人员要优先选择新型的安全材料，避免使用含有有害物质的材料。例如，在机械设计中选择金属泡沫，既可以实现循环再利用，还不会对人体和环境产生危害。机械零件在机器运行过程中会出现磨损的情况，会影响机械设备的使用性能。因此，设计人员在选择材料时，要对零件的时效性充分考虑，提高零件的使用率。
2.4经济实用性
金属材料的经济实用性是指材料的性价比较高，并且能够将其自身的功能充分发挥。例如，在机械设计中，碳素钢是一种极常见的生产原料，并且碳素钢的价格极低，但是，碳素钢的韧性较差，强度较低，在制造中等形状的过程中使用碳素钢，不能将其完全萃透，导致碳素钢受到影响。因此，在碳素钢中增加一定的合金元素，可以增强其硬度和韧性，提高了材料的抗高温性、耐腐蚀性、耐磨损性，并且不同材料的加工技术都各不相同，例如，流动性好、收缩吸气强的材料可以使用铸造生产技术，冲压性好的材料可以使用焊接生产技术。选择材料时，要优先选择成本低、实用性强的优质材料。为保证机械设备的质量，在机械设备的设计过程中，设计人员要提高对材料选择和其经济实用性的认识，才能使机械设备顺利生产。设计人员在选择金属材料时，要充分考虑使用者的具体需要，使其能够满足用户的不同需求。在机械生产过程中，要严格按照相关标准进行生产，保证材料可以高效使用，减少成本。
3结语
随着社会的不断进步，机械设计行业推动了国民经济的快速发展，金属材料在机械设计中是至关重要的，要充分考虑金属材料的经济实用性和环保节能性，实现可持续发展。
参考文献：
[1]黄建明,陈俐.浅析有色金属材料在机械设计中的选择与应用[J].世界有色金属,2019(14):21+23.
[2]方伟涛.试论机械设计中金属材料的选择及应用[J].内燃机与配件,2020(06):224-225.
作者:李剑云 王芬芬 单位:郑州工商学院机械动力工程系
