عملکرد قطعات مکانیکی تا حد زیادی به سازگاری خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد انتخاب شده با شرایط سرویس آنها بستگی دارد. مواد مختلف از نظر استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و ماشینکاری ویژگیهای منحصر به فردی دارند. انتخاب مناسب یک پیش نیاز برای اطمینان از قابلیت اطمینان و عمر مفید قطعات است. در زمینه صنعتی، مواد متداول برای قطعات مکانیکی عمدتاً شامل فولاد کربن، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ، فلزات غیرآهنی و آلیاژهای آنها، پلاستیکهای مهندسی و مواد کامپوزیتی است. آنها به طور گسترده ای بر اساس نیازهای عملکردی و محیط های عملیاتی استفاده می شوند.
فولاد کربنی اساسی ترین ماده برای قطعات مکانیکی است که ماشین کاری خوب و استحکام خاصی دارد. برای کاربردهایی با بارهای متوسط و مقاومت در برابر خوردگی کم، مانند اتصال دهنده های معمولی، براکت ها و اجزای انتقال سرعت پایین مناسب است. قیمت آن کم است و به طور گسترده در دسترس است، اما مستعد زنگ زدگی در محیط های مرطوب یا خورنده است که اغلب نیاز به عملیات حفاظتی سطح دارند.
فولاد آلیاژی که با افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، نیکل و منگنز به فولاد کربنی ساخته می شود، استحکام، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر حرارت را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد. به طور گسترده در ساخت قطعاتی که در معرض بارهای زیاد، ضربه یا دماهای بالا هستند، مانند چرخ دنده ها، شفت ها، فنرها و پیچ و مهره های{1} با استحکام بالا استفاده می شود. نسبت عناصر آلیاژی مختلف را می توان برای بهینه سازی خاص خواص خاص استفاده کرد. به عنوان مثال، کروم سختی پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد، در حالی که مولیبدن استحکام دمایی بالا و مقاومت در برابر خزش را افزایش می دهد.
فولاد ضد زنگ از کروم به عنوان عنصر آلیاژی اصلی خود استفاده می کند. هنگامی که محتوای کروم تقریباً به 10.5٪ یا بیشتر می رسد، یک لایه اکسید متراکم می تواند روی سطح ایجاد شود که به ماده مقاومت در برابر خوردگی عالی می دهد. فولاد زنگ نزن آستنیتی (مانند 304 و 316) به دلیل انعطاف پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی اغلب در ماشین آلات مواد غذایی، تجهیزات شیمیایی و قطعات محیط زیست دریایی استفاده می شود. فولاد ضد زنگ مارتنزیتی می تواند از طریق عملیات حرارتی به استحکام و سختی بالاتری دست یابد و برای ساخت ابزارهای برش، یاتاقان ها و قطعات مقاوم در برابر سایش مناسب باشد.
فلزات غیرآهنی و آلیاژهای آنها اغلب در قطعات مکانیکی برای کاربردهایی با الزامات عملکرد خاص استفاده می شود. آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم دارای چگالی کم و رسانایی حرارتی خوب هستند که آنها را برای سازه های سبک وزن و اجزای اتلاف حرارت مناسب می کند. مس و آلیاژهای مس دارای رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی هستند که معمولاً در کنتاکت های الکتریکی و مبدل های حرارتی یافت می شوند. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم دارای استحکام ویژه و مقاومت در برابر خوردگی عالی هستند و در اجزای کلیدی در زمینههای{4} دقت بالا مانند کاربردهای هوافضا و پزشکی استفاده میشوند.
پلاستیک های مهندسی و مواد کامپوزیتی در سال های اخیر کاربردهای فزاینده ای داشته اند. پلاستیک های مهندسی مانند نایلون و پلی اکسی متیلن (POM) دارای خواص روانکاری خودکار، کم صدای-و سبک وزن هستند که آنها را برای اجزای انتقال سبک-بار و بوش های مقاوم در برابر سایش مناسب می کند. کامپوزیتهای تقویتشده با فیبر کربن، استحکام ویژه و استحکام بالا را ترکیب میکنند و در تجهیزات پیشرفته برای کاهش وزن و بهبود عملکرد دینامیکی استفاده میشوند. با این حال، مقاومت در برابر دما و آب و هوا نسبتاً محدود است، که نیاز به ارزیابی جامع شرایط عملیاتی هنگام انتخاب آنها دارد.
انتخاب مواد باید به طور جامع خواص مکانیکی، سازگاری محیطی، فناوری پردازش و اقتصاد را در نظر بگیرد. در طول مراحل طراحی و ساخت، نوع بار، دمای عملیاتی، محیط تماس و الزامات دقت قطعات باید به همراه مشخصات تامین مواد و ویژگیهای عملیات حرارتی برای تطبیق در نظر گرفته شود. عملکرد خدمات بلند مدت باید از طریق آزمایش تأیید شود. انتخاب علمی مواد نه تنها می تواند عملکرد قطعات را بهبود بخشد، بلکه هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش داده و عمر کلی تجهیزات را افزایش می دهد. بنابراین در طراحی و ساخت مکانیکی اهمیت اساسی و تعیین کننده ای دارد.
