摘要：随着社会经济的快速发展 ，机械行业的地位也日益突出 ，社会对机械设计提出更高的要求。科学与技术的不断进步为机械设计提供了新手段 ，材料及其选择是机械产品设计的重要组成部分。在新形势下对金属材料的选择与应用 ，考虑要更加全面 ，不仅要保证所选材料对设计要求的满足 ，还要注意材料的适用性、经济性、环保性及节能性 ，坚决贯彻可持续发展观念。
关键词：机械设计；金属材料；热处理
一、材料选择的合理性
材料选择是机械设计的主要内容之一。材料选择的出发点，首先是满足机械零件运行过程所需要的各种性能(机械性能、物理性能和化学性能等)。同时，还需要考虑制造过程的工艺性和经济性，以至安全性等。
1.载荷类型是选择材料的主要依据
外载荷是导致零件失效的主要原因，而零件所具有的性能是抵抗失效的基础。因此，上述两个方向构成一对矛盾。究竟赋于零件怎样的性能，要根据载荷类型及应力大小来确定。
当外载使零件呈扭转或弯曲类型应力时，其最大应力分布于零件的表面层。因此，表面层的性能对抵抗零件失效起主导作用。与此相应，选择材料和实施热处理工艺都必须与上述载荷类型的特点相一致。具体地说，在承受这种载荷时，通常选用中碳钢调质处理，然后表层施以高频淬火，或者选用低碳钢渗碳，然后淬火和低温回火。处理后，零件心部一般为较高的综合机械性能，表层为高硬度。
对于单纯承受拉伸、压缩或剪切类型应力的零件，由于外载应力沿零件整个截面均匀分布，所以要求零件整体性能都是均匀的。故应当选择零件热处理时足以淬透的材料，显然，各种材料的临界淬火直径是设计者必须熟知的。
承受冲击载荷的零件不宜选择高碳钢制造。否则，增加零件的脆断倾向。
作为弹性零件，由于工作时不允许有残余变形。因此整个截面被淬透是极重要的。同时必须具备强度、塑性和韧性兼优的性能，通常选择专用的弹簧钢制造。近年来的研究表明，低碳钢施以淬火强韧化处理也可以满足弹性零件使用性能要求。
为了提高抵抗往复载荷所需要的疲劳强度，需要有较高的静强度和塑性的配合。近年来的研究表明，与其说材料的弯曲疲劳强度与静强度成正比，不如说弯曲疲劳强度与静强度及塑性的乘积成正比。显然，强塑兼优的性能是获得高疲劳抗力的基础。
不言而喻，要获得较好的耐蘑性，零件表层没有较高的含碳量或含氮量是难于实现的。
2,碳素钢和合金钢的选择
碳素钢的各种加工工艺性好，价格便宜和容易得到等是它受到普遍使用的主要原因。但是，它的强度低，韧性差和不能强韧兼优以及中等形状以上的零件不能整体被淬透等缺点，使得在选择中受到局限性。
在碳素钢中，加入合金元素则构成合金钢。在合金结构钢中，合金元素主要起三个作用:提高强度和韧性以及增加淬透性。在合金工具钢中，合金元素除上述三个主要作用外，由于加入能形成碳化物的合金元素，使其耐磨性有一定程度的提高。另外，合金含量较高时，可以赋于材料某些特殊性能，如耐热、不锈、耐腐、高导磁性以及红硬性等。
显然，只有在外载的应力较大，且较复杂或者零件的有效截面尺寸较大且需要淬透的情况下才选择合金钢。另外，有时为了改善淬火工艺性，即避免产生淬火裂纹或减小淬火变形也选择合金钢制造。除上述等情况外，追求使用合金钢可能造成浪费。
下面，提及几项材料选择时应当注意的问题:
(1)在国家标准、有关部颁标准以及所有的设计手册中所列入的各种材料的强度数据和相应的热处理规范，是按国标(GB)中规定用有限的小直径(中25毫米)标准试样测得的。在应用这些数据时，不允许将标准手册中的规格数据，原封不动地做为设计数据。因为它只不过是表明需要保证的原材料质量的数据和相应的试验方法。并不能保证有效截面尺寸变化甚大的实际零件的具体性能。同种钢材，由于有效裁面尺寸的增大，使其强度，特别是疲劳强度相应降低的现象，称作尺寸效应。这是机械设计者不容忽视的实际问题。
(2)由于材料冶金缺陷和零件表面加工缺陷的不同程度的普遍存在，往往破坏基体的连续性。如缺陷(裂纹)前端有一定的集中的应力场，在外载作用下缺陷的扩展速率成为衡量零件抵抗失效的重要指标。与此相关的机械性能指标一材料的断裂韧性成为机械设计者十分关注的数据。因为设计者确定韧性指标时，它可以定量地提供可靠数据，不像以往那样只凭经验定性地确定韧性指标。
(3)随着新材料和新工艺的发展和零件失效分析的深入研究，在材料选择方面已远远超出五、六十年代总结出来的典型的材料选择的固定规范。例如，几十年前为刃具制造而研制的Cr12型钢材，迄今已完全过渡到冷作模具钢的系列中了。再如，过夫专门用于制造高速}7J削刀具的高速钢(如WlsCr4V和W6Mo5Cr4V2等)，由于热处理工艺的发展和高速钢本身具有较高的抗压强度等原因，近年来广泛用于制造冷挤压模具和部分冲压模具。同样，专用于制造弹簧的60Si2Mn和65Mll钢等，由于其性能优良，也愈趋广泛地用于制造冷冲压模具。而过去认为不能淬火的低碳钢，现在却可以经过强韧化处理制造弹性零件。作为制造油泵油咀偶件的滚珠轴承钢(GCr15)，已有被40Cr钢渗硼代替的趋势……类似的情况日趋增多。由上述可以看出，零件成工模具材料选择的思路都已经跳出一些典型文献资料推荐的范畴。
二、技术条件的确切性
根据机械运行的实际需要，对其零件提出性能要求是机械设计不可缺少的内容。由于硬度检查无需损坏被测工件，且硬度与其他机械性能有着大致的定性，以至定量关系。因此，设计图纸上往往用硬度值来体现对各种机械性能指标的要求。然而，硬度值的确定还应考虑以下因素:
1.硬度与零件截面有效厚度的关系
实际已证明，同种材料制成不同有效尺寸的零件，淬火后硬度值随其尺寸增加而不断下降。综合生产实践经验，对几种常用材料的有效截面尺寸与整体淬火后零件表面可能达到的硬度的关系，列于表1中。另外，合金元素含量愈多，可以使稍大的有效截面尺寸也能获得较高的硬度。
2.度与韧性的关系
人们通常的认识是材料的硬度愈低，其韧性愈高。因此，对于脆性破断的零件或工模具，往往采用降低硬度(提高回火温度)的办法来实现。在这一问题上，有时人们忽视了一个重要规律，即几乎任何钢种及其所有钢号在低温200-350 C温度区间都有回火脆性现象(也称第一类不可逆回火脆性)，只不过是各个钢种的具休脆化温度不同而已。囚此，为了避免回火过程，随着硬度降低反而脆性升高，建议常用的工模具钢避开在回火脆性区范围内回火。
另外，对于某些合金结构钢在450C~650 C温度范围内回火时，也有韧性急骤下降现象。这称作“可逆回火脆性”。为了消除这类可逆回火脆性，可以选用含镍或钥等元素的合金钢制造零件。再是，在变形度允许的条件下，回火保温后快速冷却(油冷或水冷)，也可以避免这类回火脆性的出现。
近年来对材料多冲抗力的研究表明，绝大多数的机械零件，并不只是受到一次冲击就破坏，总是经受上千、万次的，以至更多次的冲击载荷才会损坏。因此，一次摆锤大能量冲击测得的ak值不能完全说明材料在实际条件下的冲击抗力，而小能量的往复冲击试验结果更接近实际情况。
材料强度和韧性的搭配，多冲抗力有一个最佳状态(峰值)。研究表明，随着冲击能量的降低，多冲抗力峰值移向低温回火(较高强度和硬度)。并且.，在所试验的冲击能量范围内，高温回火(调质)状态的多冲抗力是最低的，而中、低温回火后材料的多冲抗力较高，如图1所示。多冲抗力的峰值还与材料的含碳有密切关系，如图2所示。即随着钢的含碳量提高，多冲抗力峰值的位置朝较高回火温度方向转移。此外，在零件结构应力集中系数增加时，同一钢种的多冲抗力峰值向较高温度回火方向移动。这说明，对于存在尖锐缺口的零件，要求塑性和韧性较高些。为了充分发挥材料的性能潜力，使零件具有较高的使用寿命，恰当地选择硬度(强度和韧性的最佳搭配)是十分重要的。应当克服以往认为韧性愈高愈好的误解。
3.硬度与工作条件的关系
任何一个零件或工模具，在一定条件下工作时，其各个部位的受力状态和应力大小是不同的。因此，对于一个零件或工模具，当非直接工作部位的性能无关紧要时，可以放宽硬度要求，以求得较好的热处理工艺性。例如，图3所示拉伸模具，通常直接工作端有足够硬度(HRC58~62)即可。为了减少背面螺孔开裂和变形，其余部分大致地规定不低于HRC30-~35便可满足使用要求。因此，对于如冲压模、气门顶杆、齿轮等一些零件和工模具不必强求整体硬度一致。
4. 硬度与衬磨性的关系
一通常的认识是零件或工模具的耐磨性，随其硬度提高而增加。然而，零件或工模具经激烈淬火后，由于残存有强大的内应力，尽管硬度很高，但耐磨性却不是最佳状态，如图4所示。
试验表明，高频淬火成高硬度的零件，经过低温(150~200 C)回火消除残余应力后，虽然表面硬度有可能略微降低，耐磨性却有所提高。因此，为了提高耐磨性，淬火后的零件进行低温回火是必不可少的。
三、结语
综合本篇的讨论内容，可以看出优良的设计是得到高质量机械零件的基础。因为设计者不仅是零件结构、技术条件的决断者，而且材料的选择也要由设计者最后确定。人们已经认识到，制造优质机械零件的三个主要关键是:优良的设计;确切选材，高质量的热处理。
参考文献：
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[4]龚锐锋.李万泗.高压齿轮泵齿轮热处理工艺的改进..金属热处理 ,2016.
论文作者:郑小亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/16
标签：零件论文; 硬度论文; 材料论文; 工模论文; 较高论文; 韧性论文; 强度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;