淺談機械設(shè)計中材料的選擇及其應(yīng)用

【摘 要】材料的選擇與應(yīng)用是機械設(shè)計的兩個重要環(huán)節(jié)，能為機械行業(yè)的后期生產(chǎn)指明方向。本文立足于機械設(shè)計中的材料，通過分析和探討機械設(shè)計中材料選擇與應(yīng)用的重大意義、材料的選擇原則、材料的應(yīng)用原則，認為搞好機械材料選擇及其應(yīng)用工作對于實現(xiàn)社會的節(jié)能減排，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，促進整個機械行業(yè)快速發(fā)展有著重要作用。

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計 材料 選擇 應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的不斷加快，機械行業(yè)在整個國民生產(chǎn)中所占的份額也越來越大。在新的背景下，人們對機械設(shè)計中材料的選取和應(yīng)用也提出了更高的要求。因此，為了推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，相關(guān)設(shè)計人員必須在保證機械材料滿足施工要求的基礎(chǔ)上，不斷提高機械設(shè)計中選擇材料的標準，使得各個材料零件協(xié)調(diào)配合，得到最好的應(yīng)用。

一、機械設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的重大意義

當前，部分機械設(shè)計所需的重要材料變得稀少。而應(yīng)用材料的需求卻在不斷擴大。在這樣的背景下，機械材料的市場競爭將變得越來越激烈，機械設(shè)計的選材以及企業(yè)后期的生產(chǎn)空間也將被進一步壓縮。因此，如何把握市場方向，了解自身優(yōu)勢，在確保機械設(shè)計水平的同時，樹立良好的經(jīng)濟意識，更好地體現(xiàn)材料選擇和應(yīng)用的適用性原則，不斷提高企業(yè)競爭力，在競爭中搶占先機、贏得資源成了企業(yè)急需深入研究的重要課題。

二、機械設(shè)計中材料的選擇原則

（一）材料載荷類型的選擇。在機械設(shè)計工作中，材料的外載荷水平直接影響零部件的性能，某些材料的外載荷水平不足甚至會導(dǎo)致零部件失效。因此，設(shè)計人員可以以材料的載荷水平和應(yīng)力大小作為選材標準。[1]對于外載荷，可以分兩個方面進行討論：當零部件在外力作用下發(fā)生形變時其內(nèi)部將產(chǎn)生大小相等但方向相反的反作用力，我們將這些力的集合稱為應(yīng)力，而應(yīng)力聚于材料的表面。換而言之，材料表面的總體性能直接影響著零部件的承載力以及工作效果。因此，設(shè)計人員如果需要得到承受相當載荷的材料，可以選擇低碳鋼滲碳或中碳鋼調(diào)質(zhì)等方法對其進行加工；對于部分單純承受壓縮或拉伸作用的材料，由于外載荷作用到零部件的橫截面，使得應(yīng)力分布勻稱，所以在選材時，應(yīng)優(yōu)選性能分布均勻的材料，以保證在加工時材料能得到有效的操作。

（二）合理選擇碳素鋼和合金鋼。在機械設(shè)計中，碳素鋼（含碳量小于2%，除了鐵、碳外，含有少量錳、磷等元素的鋼）是使用最早、應(yīng)用最廣的基本材料，其產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量約80%。它的性能與含碳量密切相關(guān)，如當碳量減少時，鋼的強度、硬度便會下降，而塑性、韌性以及可焊性將會提高。因其成本低廉、性能范圍寬、加工工藝性能好等原因而深受機械制造企業(yè)青睞。但由于它的韌性、強度以及淬透性較差，在冶煉和鍛造加工過程中，容易出現(xiàn)結(jié)疤、裂紋等問題。[2]它通常用于制造強度要求不高的機器零件和金屬構(gòu)件。為了提高碳素鋼的性能，人們又在碳索鋼的基礎(chǔ)上融入了一些合金元素，得到合金鋼。與碳素鋼相比，合金鋼不僅擁有較好的淬透性、韌性、強度，還具備如耐蝕性、磁性能等特殊性質(zhì)，可以滿足很多特殊生產(chǎn)需要。但合金鋼也存在缺點，如合金元素加入后，鋼的冶煉以及加工工藝性能變差，成本上升等。因而，只有在制造大截面，形狀復(fù)雜的零件時，才考慮使用合金鋼。當碳素鋼能滿足使用需要時，應(yīng)優(yōu)先選擇碳素鋼。

（三）選擇質(zhì)量過硬、無危害、可回收的材料。為了發(fā)展綠色經(jīng)濟，實現(xiàn)機械設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展，機械設(shè)計人員必須在選擇材料時體現(xiàn)出節(jié)能性與環(huán)保性。一般來說， 提高機械產(chǎn)品的使用壽命就是在減少材料的消耗和環(huán)境的污染。因此，在進行機械設(shè)計時，設(shè)計人員要本著綠色設(shè)計原則，即要綜合考慮材料的能耗、材料與環(huán)境的兼容性等因素。嚴格把關(guān)材料的質(zhì)量，從降低環(huán)境負荷的角度出發(fā)，充分了解不同種機械產(chǎn)品同類零件間的通用性。盡量選擇易解體、可回收，對環(huán)境沒有危害的材料，確保機械材料能得以循環(huán)利用。此外，在設(shè)計之初，設(shè)計者還要考慮到零件的報廢處理，包括廢品的處理工藝、回收零件的分類等，盡量減少處理成本和資源的浪費。

三、機械設(shè)計中材料的應(yīng)用原則

材料的應(yīng)用是材料選擇的延伸，對整個機械設(shè)計工作至關(guān)重要。因此，在做好選材工作的同時，還要體現(xiàn)材料應(yīng)用的實用性和經(jīng)濟性。

（一）材料的應(yīng)用需體現(xiàn)實用性。在材料設(shè)計過程中，設(shè)計人員必須考慮材料應(yīng)用的實用性。材料的應(yīng)用要以零部件的加工工藝為準。對于機械材料的加工，有很多種加工技術(shù)可供選擇，如車工工藝、鍛造工藝以及熱處理工藝等，不同的加工工藝對材料的應(yīng)用要求是不同的。車工工藝是以車床進行加工的工序方法，它可用于加工各種回轉(zhuǎn)成型面，如：內(nèi)外圓柱面。因此，它需要材料的應(yīng)用具備車床作業(yè)的可操作特征；鍛造工藝是通過對機械材料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得機械性能和具體形狀的，它需要材料的應(yīng)用具備一定的承載力；而熱處理工藝是在不改變機械材料形狀的情況下，通過改變其內(nèi)部顯微組織，給予其使用性能的，因此，它需要材料的應(yīng)用具備淬透性。[3]

（二）材料的應(yīng)用需體現(xiàn)經(jīng)濟性。在保證各個零部件的材料都能滿足各種加工工藝要求的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)企業(yè)的發(fā)展狀況，對機械材料的加工成本實施有效的控制，以體現(xiàn)材料應(yīng)用的經(jīng)濟性。以日本的汽車制造為例，從一個小小的零件到整個車身，日本汽車的整個設(shè)計過程都十分重視機械材料的加工成本，為了降低成本，日本的汽車企業(yè)不斷更新設(shè)計理念和制造技術(shù)。最終以低成本的價格，高性能的汽車迅速占領(lǐng)國際市場。由此可見控制機械材料的加工成本對企業(yè)的經(jīng)濟效益有著深遠影響。

四、結(jié)語

總之，材料的優(yōu)選和科學應(yīng)用對整個機械設(shè)計來說非常重要。我們只有充分認識到材料優(yōu)選的重要性，選擇滿足生產(chǎn)需要的材料，制定科學合理的材料應(yīng)用方案，才能不斷提高機械設(shè)計的水平，促使機械設(shè)計行業(yè)長效發(fā)展。

參考文獻：

[1]黃夢奇，王婧淺.談機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用[J].機電信息，2012，06

[2]楊忠敏.談軸承鋼及其冶金質(zhì)量檢驗[J].金屬世界，2011，01

[3]梁鳳堯.熱處理工藝在金屬零件加工中的作用[J].輕工科技， 2012，05

作者簡介：龔煌輝（1975-），男，漢族，湖南婁底市人， 湖南師范大學職業(yè)技術(shù)學院本科畢業(yè)， 職稱：講師 ，主要從機械制造技術(shù)、機械材料方面的研究。