在机械设计中有关于材料选择与作用的研究
1、材料选择与应用对机械设计的意义
随着现代化工业体系的不断完善，机械设计和加工行业的环境产生了新的变化，需求量的增加和要求的提高，导致材料的短缺。在机械设计中选择合理的材料和进行适当的处理，是实现材料高效利用和达到设计要求的重要保证，还可以降低企业的成本和提高产品的设计质量，是现代机械设计行业的发展方向。最好的设计方案应该是在满足了机械设计的使用功能的前提下将材料成本降到最低的范围，即寿命匹配原则。寿命匹配原则是指，在机械设备的整个生命周期内，所有的零部件的使用寿命于此保持一致。如一部汽车的设计寿命为十年，那么其零部件的设计寿命也要在达到十年的时候基本到达报废的程度，这样就最大的发挥了材料的潜力，物尽其用。
2、机械设计中对材料的选择
2.1 坚持实用性的原则材料选择的实用性是机械设计选材的首要要求，这是保证材料性能和质量的根本。机械设备的不同零部件对于材料有不同的要求，一些零部件需要耐磨性很强的材料，一些零部件则侧重于对材料强度的要求，还有的零部件需要考虑材料的美观性。坚持根据不同零部件的不同要求来进行材料的选择，准确的判断零部件对材料的要求，是实现实用性选材的保证。
2. 2 选择合适材料载荷类型实践操作告诉我们，在机械设计中出现的大多数问题是由于机械材料的外载荷性能所导致的，但是机械零部件的应用性能可以对此进行有效地控制，因此，在进行机械设计的选材时，要以零部件材料的荷载性作为选材的重要标准。材料的荷载性能主要可以归纳为以下几个方面：①在选材的过程中。如果选择的材料需要承受这种荷载力的作用，可以用中碳钢调质或者低碳钢渗碳的工艺对进行加工。②对于单纯承受压缩或拉伸力的部件材料，要选择性能分布更加均匀的材料如弹簧钢或对低碳钢以淬火强韧化的处理。
2. 3 碳素钢和合金钢的选择目前，在各种材料上，碳素钢是使用率较高的一种材料，由于加工工艺好、价格便宜等特点，使碳素钢被广泛采用。但是碳素钢也具有韧性较差，中等形状以上的零件不能整体淬透等缺点。为了改善这一问题，在碳素钢中加入适当的合金元素，形成一种新的材料，即合金钢。合金钢提高了材料的韧性以及增加了淬透性等作用，增加了在一些特殊环境下的适应性，保证了机械设计的质量和资源的有效利用。
2.4 选择环保型材料在机械设计的过程中，有些材料会对人体产生一些有害的影响，含有这些物质的材料在废弃后，也会对水源和土壤造成污染。例如在集成电路板上广泛利用，当电路板被废弃后，这种材料很难回收，往往进行填埋处理。但这个元素可溶于水，通过对水资源的污染从而对整个生物链产生危害。类似于这样的材料要谨慎的选择 此外，还要从循环利用的角度去选择材料，多采用一些合金系列的材料来制作零部件，合金系的组元越少，环境承载的压力也会减少，合金的循环利用的性能就会相应的提升。
3、机械设计选材的应用的技术手段
3.1 调质工艺以及有关的设计应用布氏硬度计算公式：
HB=0.3trb(N/mm2或MPa)热处理技术是现在最为常见的调质技术，机械设计中的大多数零部件都可以通过调质技术来进行处理，其效果就是可以有效的提高材料的综合性能，提高材料的拉升强度以及屈服强度，让材料更具强度和可塑性，就可以让零件在设计中使用更小的截面从而有效的减小整个机械设别的重量和节省机械空间。一个零部件是否需要调质处理时要根据零件的强度做出判断的，并不是所以的零件都需要进行调质。
调质的.过程是淬火加高温回火，首先需要将零件加热到一定的温度，保温一段时间后放入油中或水中冷却，冷却后立即进行回火，以降低淬火应力，调整材料的结构成分，从而达到机械要求的性能标准。回火温度的制定是根据材料的硬度和性能的高低来决定的，硬度和强度越高，回火的温度越低。调质后的任何高于回火温度的加热，都将降低以达到的强度。因此，一定要根据实际的需要来确定是否应该选择调质工艺，而且设计时必须先在图纸上明确标注调质的强度或机械性能的值。选择调质处理材料时一般需要注意以下几点：① 图纸中应注明调质，若只是注明热处理等，厂家可能会采用其他的热处理办法进行处理，如正回火处理。但正回火处理所达到的相同硬度材料，其屈服强度和冲击功会小得多 在实际的工作中足零部件过早断裂。②调质的范围和硬度要按照材料的标准选择，这有利于工厂配炉生产。③硬度要与所要求的强度相匹配，设计师在工作中必须注意，图纸中要求的强度要与硬度相互匹配，否则难以同时满足。
3.2 渗碳处理渗碳处理是常用的表面硬化处理工艺，是指在渗碳炉中将低碳钢表面的碳含量增加至规定范围然后进行淬火，是表面的硬度达到设计的要求，然后再进行低温回火以消除应力和稳定组织。渗碳工艺采用的是专业的渗碳钢，设计时可根据工件的具体情况来选择材料和渗碳的深度，以达到最好的效果和节约成本。层深的增加意味着渗碳时间的延长，成本的增加。
3.3氮化处理原则上来说，任何的钢材都需要进行氮化处理，但在实际工作中最常用的氮化钢是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化炉内进行的，具有变形小的优点。氮化后一般可不加，氮化的硬度根据材质而定，在设计时尽量采用整体氮化的处理，对必修进行局部氮化的零部件要做局部保护，淡化后处理到不需要氮化部位的保护层。此外，氮化前必须首先对选材进行调质处理，以提高心部的机械性能，为氮化做准备。氮化工艺的热处理变形小，硬化层浅，特备适用于与调质工艺相结合来提高零部件的强度、耐磨性和耐腐蚀性，适用于在周期载荷下工作的零部件，如轴承等。
3.4表面淬火是成本较低的一种硬处理办法，工艺简单，适用于零部件的局部处理，特别是对耐磨性的提高。表面淬火只加热表面层，心部的强度还保持原来的状态。一般包括高频感应加热、中频感应加热、喷水冷却和低温回火几个程序。表面淬火后的零部件产生了较多的残余压应力。
因而使材料的疲劳程度大大提高。设计时要考虑不可将残余拉应力留在齿根处等零件应力集中部位，以免在工作应力与残余应力叠加时造成零件的断裂。薄板类零件本身容易变形，表面淬火时要考虑应力的平衡问题，如将薄板类工件设计成双面淬火，是一种行之有效的解决办法。表面淬火前要先进行调质处理，一是提高心部的强度，另一方面也是可以减少淬火带来的变形和裂纹倾向。
4、总结
随着社会的不断发展，机械设计行业所面临的挑战和要求也越来越多。机械设计行业关系到现代化工业和社会经济的发展，保障机械设计工作具有重大的意义。材料的选择和应用是机械设计中的重点，合理的选择零件的材料，并选择适当的工艺进行处理使之能够满足结构要求和使用需要，是现代机械设计需要考虑的问题。做好这一点，才能保证机械设计行业的健康发展。
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