機械設(shè)計中材料選擇及應(yīng)用

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摘要：越來越多的機械設(shè)備被應(yīng)用于我國的工業(yè)發(fā)展中。在機械設(shè)計中選擇和應(yīng)用合適的材料，成為了解決機械行業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的重要課題。在進行機械設(shè)計過程中，關(guān)注的是合理性的要求，要確保材料選擇的科學性，而在應(yīng)用過程作為材料選擇工作的體現(xiàn)和拓展，工作的重心則在于經(jīng)濟性和環(huán)保性，要考慮材料應(yīng)用工作的成本和是否環(huán)保。只有這樣才能高效的完成機械工作，為機械設(shè)計行業(yè)的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;材料選擇;應(yīng)用

機械行業(yè)是國民經(jīng)濟中第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，在經(jīng)濟發(fā)展中具有非常重要的位置。工業(yè)化進程加快的過程中，機械設(shè)計所涉及的新材料新規(guī)范同步增加，與此同時，許多用于機械設(shè)計的傳統(tǒng)材料成了稀缺資源，需求同材料的緊縮逐漸形成矛盾，機械設(shè)計的材料的選擇和應(yīng)用空間進一步被壓縮。在這樣的情況下，機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用面臨著新課題，應(yīng)該堅持與時俱進、適用、經(jīng)濟等原則，合理利用資源，為做好機械設(shè)計環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)，促進機械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1機械設(shè)計常用的材料

1．1金屬

金屬材料是在眾多工程材料中使用的最廣泛的一種，據(jù)有關(guān)報道統(tǒng)計，所有機械產(chǎn)品中金屬材料占比達到92%以上。這與金屬材料本身的性質(zhì)關(guān)系較大。金屬材料:(1)硬度高，外力承受閾值較大，不易變形;(2)強度高，在結(jié)構(gòu)中能承受較大的內(nèi)力，相應(yīng)穩(wěn)定性和持久性都會增加;(3)類多樣，多樣化的金屬材料單質(zhì)和合金能夠適用于各種不同工況不同條件下的性能要求，尤其是合金;(4)價格便宜。

1．2陶瓷

陶瓷材料的主要成分事氮化硅和碳化硅。這種材料的優(yōu)點包括硬度高、耐腐蝕性好、密度教低、有較好的抗壓性。主要缺點是易斷裂，價格貴。目前對陶瓷材料應(yīng)用比較多的是密封零件的制作。

1．3高分子

在機械設(shè)計中多用的高分子材料主要是指塑料和合成纖維。這種材料的特點有:(1)來源豐富，甚至可以從天然氣中提取;(2)密度小，適用于需要輕型材料的設(shè)計要求;(3)能源消耗低;(4)延展性較好，可塑性強。

1．4復合材料

所謂復合材料，是指通過物理和化學手段將兩種以上不同材料組構(gòu)成一種新材料，分為金屬和非金屬兩種。金屬材料包括各種合金，金屬絲。非金屬材料有橡膠，陶瓷、新型樹脂、玻璃纖維、碳化纖維等。復合材料往往可以滿足不同的工藝要求。

2機械設(shè)計中材料選擇的注意事項

2．1機械設(shè)計中的材料的選擇應(yīng)考慮適用工藝

機械設(shè)計中材料選擇過程中的第一個注意事項就是適用性。設(shè)計人員要對機械材料有一定的了解，要根據(jù)不同的設(shè)計要求，選擇合適的材料。不同工藝因其工況和設(shè)計要求不同，對材料的選擇要求也不盡相同。比如說，鑄造工藝要求材料有伸收性和偏折性，鍛造工藝要求材料有沖壓性和可鍛造性，焊接工藝要求材料有敏感性，熱處理工藝則要求材料有氧化脫碳的傾向與可淬透等性質(zhì)。應(yīng)當說，材料只有達到了這些基礎(chǔ)要求，才能在各種工藝下被加工成相應(yīng)機械零部件，并進一步被整合成機械設(shè)備。在機械設(shè)計材料選擇中，必須考慮到不同材料性質(zhì)與不同工藝的匹合度。

2．2材料的選擇應(yīng)考慮零件使用要求

一般而言，機械零件失效的最常見原因就是外載荷的施加，因此，材料選擇過程中必須考慮材料的載荷性能與成品零件將承受的載荷特征的匹配度，并以此作為選擇的標準之一。比如脆性材料一般只在靜載荷的情況下設(shè)計使用。此外，外力載荷一般會使零件發(fā)生可逆或不可逆形變，為避免這種形變給零件使用造成影響，材料的均質(zhì)性也非常重要。一般來講，天然適用多項要求的材料較少，材料選擇過程可以綜合考慮加工手段使用提高材料性能的前提，比如對金屬材料進行熱處理等。

3機械設(shè)計中材料選擇的注意事項

3．1機械設(shè)計中的材料的選擇應(yīng)堅持經(jīng)濟性

當前，機械工業(yè)也蓬勃發(fā)展，對于機械材料的需求量與日俱增，可是機械材料面卻存在量不及需的現(xiàn)狀。面對如此多的需求，機械設(shè)計中的材料的應(yīng)用上，必須注重經(jīng)濟性。在滿足材料適用性要求的基礎(chǔ)上，選用成本較低的材料，此間的成本，除了材料本身的成本以外，還包括加工成本、運輸成本、利用率等。應(yīng)當說，只有做到了材料選擇的經(jīng)濟性，機械設(shè)計才能得到長足的發(fā)展。在進行經(jīng)濟性考慮時，此處的不浪費，一方面是指不造成材料用量的浪費，在有效截面面積小于50mm的情況下，就可以選用20Cr;在截面面積為50～150mm，且重量小于50千克時，則可以選擇20Crmnti等。另一方面，也指不能造成材料性能的浪費，即所用為所需，無需過分要求應(yīng)用的材料性能。比如說，在選定材料后，在進行材料硬度選控時，做到材料能滿足零件的機械性能即可，無需采用硬度、純度過高的材料，避免機械制造成本的浪費。諸如此類，通過設(shè)計中材料的選擇優(yōu)化，就能夠避免浪費，節(jié)約成本。

3．2機械設(shè)計中的材料的選擇應(yīng)堅持綠色環(huán)保可持續(xù)

當前的機械產(chǎn)業(yè)處于國民經(jīng)濟快速發(fā)展、自然環(huán)境犧牲巨大、各類資源相繼短缺的大背景下，人們逐漸意識到，為了追求更高的經(jīng)濟效益而以犧牲環(huán)境作為代價，是得不償失的。環(huán)境保護問題是關(guān)系到人類發(fā)展和生存的重大問題，在進行設(shè)計時必須以堅持環(huán)保為原則，重視材料選擇和應(yīng)用的環(huán)保性。行業(yè)在重視純粹的機械設(shè)計的發(fā)展之外，也要實現(xiàn)機械設(shè)計與經(jīng)濟及環(huán)境保護的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。設(shè)計是生產(chǎn)的開端，生產(chǎn)取決于設(shè)計，作為設(shè)計人員，在機械設(shè)計階段，就要有綠色意識，能耗低、效率高、污染少的材料應(yīng)當逐漸成為應(yīng)用材料的主力軍。

4結(jié)語

在機械設(shè)計中，材料應(yīng)用的工作具有著不可替代的重要地位。本文指出，在進行機械設(shè)計過程中，關(guān)注的是合理性的要求，要確保材料選擇的科學性，而在應(yīng)用過程作為材料選擇工作的體現(xiàn)和拓展，工作的重心則在于經(jīng)濟性和環(huán)保性，要考慮材料應(yīng)用工作的成本和是否環(huán)保。如何在確保零件實用性的前提下，實現(xiàn)材料應(yīng)用的環(huán)保化、經(jīng)濟化，達到兩者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是當前機械設(shè)計行業(yè)必須面對和解決的課題，也是行業(yè)蓬勃發(fā)展的必然要求。

作者:張娟娟 唐慧敏 單位:鄭州電子信息職業(yè)技術(shù)學院