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冶金与材料第 44 卷机械制造加工中的材料选择探讨安晓英（山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院），山西 太原030032）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月Vol.44 No.2Feb.2024摘要：在现代工业中，机械制造作为支撑生产力的关键领域，其发展和创新对于各行业的进步至关重要。而在机械制造的核心环节中，材料选择作为决定产品性能、耐久性和成本的重要因素，愈发凸显其关键作用。因此，深入探讨机械制造加工中的材料选择问题，既有助于提高产品质量和性能，又能够在激烈的市场竞争中取得优势。文章将全面分析机械制造中材料选择的各个方面，同时结合新材料与技术的应用以及案例分析，为机械制造加工中的材料选择提供全面、系统的参考，以应对不断变化的市场和技术环境。关键词：机械制造加工；材料选择；材料特性作者简介：安晓英（1968），女，山西忻州人，主要研究方向：机械产品及机械装备。机械制造涉及多个领域，包括汽车工业、航空航天、电子设备等，为社会提供了各种必需品和高科技产品。在制造过程中，材料选择成为至关重要的环节，直接影响产品的性能、寿命和可靠性。机械零部件在不同工作环境和应力条件下运行，因此对材料的性能提出了高标准要求。为了提高制造效率、降低成本并确保产品质量，深入探讨和优化机械制造中的材料选择过程显得尤为重要。1机械制造加工中常见机械制造材料及其特性1.1金属材料在机械制造加工中，金属材料是常见且重要的一类材料，其选择直接关系到产品的性能和用途。金属材料中，钢铁的强度和耐久性使其成为制造高负荷零部件的理想选择，不同种类的钢材具有不同的强度和韧性，适用于各种机械。而铝合金是另一类广泛应用的金属材料，具有较低的密度、良好的导热性和抗腐蚀性，适用于要求轻量化和抗腐蚀的场合。不锈钢则以其抗腐蚀性和美观性著称，常用于需要较好耐腐蚀性能的零部件，如食品加工设备和化学工业设备。金属材料的选择不仅取决于其基本机械性能，还涉及导热性、电导率等热电性能，以及对腐蚀、磨损等环境因素的抵抗能力咱1暂。因此，在机械制造中，应对金属材料进行深入了解，并根据具体应用要求合理选择不同类型的金属材料，才能有助于确保最终产品具备良好的性能效果。1.2非金属材料非金属材料是机械制造加工中另一大材料种类，其中塑料是一类广泛应用的非金属材料，具有轻质、耐腐蚀、绝缘等优点，塑料在机械制造中通常用于制作外壳、隔热件和其他轻负载零部件。其次，复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组合而成，以整体性能优越而闻名。例如，碳纤维复合材料具有卓越的强度和轻质化特性，广泛应用于高性能领域，如航空航天和汽车工业。另外，陶瓷材料以其耐高温、硬度高等特性，在一些特殊环境中发挥着独特的优势，比如用于制造高温零部件和切削工具。非金属材料的选择通常取决于其特定的物理、化学和热学特性，以及其在不同环境下的性能表现，比如用于和线缆绝缘层的橡塑制品、用于车辆制动的摩擦磨损材料等。在机械制造加工材料的选择中，要针对非金属材料的特性，并在设计中充分考虑其优缺点，有助于确保最终产品在各种条件下都能够稳定、可靠地运行。2机械制造加工中材料选择的基本原则2.1功能需求在机械制造中，材料选择的关键原则之一是确保材料的性能与产品的功能需求相匹配。功能需求对材料性能提出了具体而多样的要求，需要仔细考虑以确保最终产品的性能优越、可靠且满足设计要求。其中材料的强度和刚度是至关重要的因素，特别是在承受高负荷或受到剧烈变形的部件中，而导热性和电导率等热电性能在一些特定应用中显得尤为重要。同时，材料还必须具备耐磨性、耐腐蚀性等特性，以确保在特殊工作环境下能够保持长期稳定的性能。比如制造煤矿用输送带，首先要保证输送带产品整体的抗拉强度、伸长率、耐磨耗性能，为了井下安全性还要保证输送带的表面电阻性能和阻燃性等咱2暂。深入了解产品的功能需求，包括预期的工作环境和实际工作条件，是进行材料选择时的基础。通过合理匹配材料的性能和产品的功能需求，可以确保最终制造的机械产品能够稳定可靠地运行，同时提高产品的寿命和性能。22第 2 期2.2环境因素机械制造中工作环境的复杂性和多样性使得材料在面对不同条件时需要具备相应的适应性。其中，腐蚀性环境、高温和低温等极端条件都可能对材料的性能产生显著的影响，在腐蚀性环境中，对耐腐蚀性能较强的材料的选择将成为关键，以防止材料的过早退化和损坏。在高温工作环境下，材料需要具备高温稳定性和耐热性，确保机械部件在极端温度条件下仍能保持稳定的性能。相反，在低温环境中，材料的韧性和抗寒性将成为关键因素，以此防止脆性断裂和性能下降。因此，在材料选择中，充分考虑工作环境的特点，对不同环境因素的敏感性进行评估，将有助于确保所选材料能够在实际工作条件下表现出理想的性能，提高产品的可靠性和耐久性。2.3成本效益成本效益是在机械制造加工材料选择中不可忽视的重要考量因素，成本效益分析涉及多个方面，包括材料的采购成本、加工成本、维护成本等。材料的采购成本直接影响到整体制造成本，在满足产品性能需求的前提下，选择价格适中的材料，以确保成本控制在合理范围内。加工成本也是一个重要的方面，不同材料在加工过程中的难易程度各异，需综合考虑材料的可加工性，以降低加工成本、提高生产效率。另外，维护成本也应该被纳入考虑范围，因为一些材料在长期使用过程中可能需要更频繁地维护，而这会增加总体的生命周期成本。成本效益分析的目标是在保证产品质量和性能的前提下，最大限度地降低总体成本，确保所选材料在经济可行的前提下能够满足产品的各项要求咱3暂。比如井盖材料选用球墨铸铁，既能满足其高强度和承载能力要求，又能减少使用中的冲击振动影响，还可以提高生产效率。考虑到使用方的维护成本，有一部分生产厂增加了缓冲、防沉降等设计，减少井盖的冲击破损，提高井盖的可替换性，同时也取得了市场竞争优势。3在机械制造加工中对材料的选择3.1强度与刚度材料的强度与刚度是机械制造加工中至关重要的性能特性，直接影响着产品的负载能力、变形行为以及整体结构的稳定性。强度是材料抵抗外部加载导致破坏的能力，它对于机械零部件在承受压力、拉力或扭矩时的表现至关重要，选择具有足够强度的材料可以确保产品在实际工作条件下不容易发生变形、屈服或破坏，提高了产品的安全性和可靠性。而刚度描述了材料对形变的抵抗能力，即在受力作用下产生的变形程度。在机械设计中，对需要保持形状和结构稳定性的零部件，如梁、框架等，选择具有足够刚度的材料是关键咱4暂遥同时，刚度的选择还与产品的振动、共振等动力学特性密切相关，影响产品的动态性能。在材料选择过程中，工程师需要综合考虑强度和刚度之间的平衡，以满足产品的具体设计要求，确保产品在各种工作条件下都能够稳定运行。以汽车发动机支架的制造加工为例，在汽车发动机支架的设计中，要求发动机支架需要能够承受发动机的振动和重量负荷，并具备足够的强度，确保在行驶中不发生断裂或变形，同时需要具备适当的刚度，以抵抗发动机振动和道路不平带来的冲击。在材料选择上，常见的选择包括钢铁、铝合金和复合材料。其中钢铁是一种高强度材料，可以提供良好的抗拉、抗压和抗弯曲强度。这对于支撑发动机的重量是至关重要的，且钢铁的弹性模量较高，因此具有较高的刚度，可以有效抵抗振动和变形。铝合金相对较轻，但仍具有相当的强度，对于减轻整体重量有利，并且铝合金的弹性模量较钢铁低，因此在刚度上可能不如钢铁，但在一些情况下可能更适合降低振动传递。而复合材料通常具有很高的强度，特别是在特定方向上的强度可能更高，这使其在重量轻的同时能够提供足够的强度，复合材料的刚度可以通过合理设计纤维方向来调整，因此可实现在特定方向上的高刚度。通过综合分析，在材料的选择上，如果强度是首要考虑因素，可选择钢铁；如果轻量化是关键目标，而刚度要求可通过设计优化满足，可以考虑铝合金；如果希望在轻量化的同时保持足够的强度和刚度，并且能够进行复杂的形状设计，可以考虑使用复合材料。最终的材料选择取决于设计的具体要求和权衡考虑，并进行详细的工程分析，包括有限元分析等，使选择的材料满足实际使用条件下的各种要求。3.2导热性与电导率机械制造加工材料的导热性与电导率是在机械设计中考虑的关键性能特性，其直接影响产品在热学和电学方面的性能表现。导热性是指材料传导热量的能力，对于需要在高温环境中工作的零部件尤为重要，高导热性的材料有助于快速传导和分散热量，从而防止零部件过热、保持稳定的工作温度，提高产品的耐热性和散热效果。电导率则描述了材料对电流的导电能力，对于需要传输电能或设计电子元件的应用至关重要，高电导率的材料能够有效地传导电流，减小电阻，降低能量损耗，提高电气系统的效率。在机械设计中，工程师需要综合考虑导热性和电导率，并根据产品的具体要求，选择合适的材料，尤其是在电子设备或发动机零部件的设计中，需要特别关注这些特性，以确保产品在高温环境中能稳定工作，同时保持良好的电气性能咱5暂。举例来说，铝材料在机械制造中有着较好的导热性与电导率。在散热器制造加工中对材料导热性有着较高的要求，考虑到现代机械设备对散热要求的增加，铝制散热器成为一种常见选择。由于铝的高导热性，散安晓英：机械制造加工中的材料选择探讨23冶金与材料第 44 卷热器能够有效地将设备产生的热量传导到外部环境，维持设备正常工作温度，这种导热性的优势使得铝成为制造高性能散热器的理想材料。而在电气连接器制造中，良好的电导率是关键因素之一，铝的电导率相对较高，尤其是与非金属材料相比，铝的电导率使其成为制造电气连接器的理想材料之一，铝制连接器不仅具有良好的导电性能，而且相对轻便，有助于减轻整体设备重量。综合考虑导热性和电导率，铝在机械制造中展现出多重优势，其轻质、高导热性和相对较高的电导率使得铝在各种应用场景下都表现出色，尤其是在需要考虑重量、散热和电导性能的领域。3.3耐磨性与耐久性在机械制造加工中，材料的耐磨性与耐久性直接影响产品的使用寿命。耐磨性会影响材料在摩擦、磨损或接触中抵抗表面损耗的能力，在机械零部件需要频繁运动、与其他零部件接触或在恶劣环境中工作的情况下，选择具有良好耐磨性的材料可以有效延长产品的使用寿命，减少因摩擦而导致的磨损和损坏。并且耐久性可以使材料在长时间内保持稳定性能的能力，不易发生疲劳、断裂或变形。对于需要经受重复负荷或长时间运行的零部件，如发动机零部件或机械结构中的关键部件，选择具有高耐久性的材料是关键。在材料选择和设计中，工程师需要综合考虑耐磨性和耐久性，并根据产品的使用环境、工作条件以及负荷情况来选择合适的材料。通过在设计阶段注重耐磨性和耐久性，可以提高产品的可靠性、降低维护成本。比如，某制造商需要设计并制造一组用于重型机械设备的齿轮，设备将在高负荷、高速度和变动工况下运行，这种情况下，齿轮经受着频繁的摩擦、冲击和扭矩负荷。在选择齿轮的材料时，由于齿轮需要能够承受重复的扭矩和冲击，因此需要考虑其耐磨性和耐久性，常见的材料选择包括合金钢与齿轮专用材料。合金钢通常具有较高的硬度和强度，对抗磨损有较好的性能，合金钢在耐久性方面也表现出色，适用于高负荷、高速度的工作条件。而齿轮专用材料是指一些特殊合金和工程塑料，被专门设计用于齿轮制造，如硬质合金、渗碳钢等，具有卓越的耐磨性和耐久性，并且可以根据具体要求进行定制。在实际应用中，制造商使用工程仿真、实验测试和先前经验来确定最合适的材料，考虑制造成本、可加工性等因素，并权衡不同材料的优缺点，最终选择硬质合金进行制造加工，以此来确保齿轮材料在机械设备中使用的可靠性。3.4加工性能在机械制造过程中，加工性能是材料选择的关键考量之一，直接影响产品的制造效率、成本以及最终质量。机械制造加工中材料的可加工性表现为易加工性，包括切削性、成形性和变形性等方面，选择易加工的材料能够降低制造过程中的加工难度，提高生产效率，同时减少加工中产生的废料和成本。并且材料的加工工艺适应性对制造过程的顺利进行至关重要，不同的加工方法，如铸造、锻造、冲压和数控加工等，对材料的特性和适应性有不同的要求。材料选择需要考虑到加工工艺的选择，以确保在特定的制造环境中能够实现高效、精确地加工咱6暂。对于需要高精度的零部件，选择易加工的高强度金属材料并结合先进的数控加工技术，可以实现更高质量的制造。例如，在飞机发动机涡轮叶片的制造过程中，因为叶片需要在高温、高速和高压的工作环境中保持稳定性能，常见的选择就是使用镍基高温合金作为材料，镍基高温合金具有优异的高温强度、耐腐蚀性和热疲劳寿命，适合应对极端的工作环境。在加工性能方面，镍基高温合金通常需要采用先进的数控铣削、电火花切割等高精度加工工艺。由于叶片的复杂形状和高精度要求，先进的数控机床和 CAD/CAM 技术在加工过程中发挥着重要作用。此外，涡轮叶片需要具备一定的空气动力学特性，加工过程中还需要考虑表面光洁度和形状控制等方面，以确保最终产品的性能和效率。在这个案例中材料选择的焦点是高温合金，以满足涡轮叶片在高温、高速运转的要求，然而由于高温合金的可加工性相对较差，需要采用高精度的数控加工技术。4总结材料选择在机械制造加工中十分关键，直接关系到产品的耐久性、可维修性和整体性能。通过优化材料选择，制造商可更好地满足市场需求，提高产品竞争力，同时也能在制造过程中更高效地利用资源、降低成本。在现代社会，资源稀缺且环境问题备受关注，因此在材料选择中考虑可持续性和环保性也显得愈发重要。通过深入探讨机械制造中的材料选择，可为制造业提供更科学、可持续的解决方案，推动工业领域向更加智能、绿色的方向发展，从而为未来的可持续制造贡献力量。参考文献1 王金芳，林瑞蕊.机械制造加工中的材料选择探讨 J.中国金属通报，2022（1）：34-36.2 国家市场监督管理总局.水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件:GB/T 132952019 S.北京：国家标准化管理委员会.2019.3 矫健.机械设计中材料的选择及其应用 J.农业装备技术，2021，47（4）：63-64.4 王立才.机械设计中材料的选择和应用 J.湖北农机化，2020（18）：167-168.5 刘景阳.分析机械设计中材料的选择和应用 J.当代化工研究，2023（7）：191-193.6 裴卓洋.关于机械制造加工中的材料选择的分析 J.数码世界，2017（11）：314.24