機(jī)械設(shè)計(jì)過程中機(jī)械材料的選擇和應(yīng)用探析

程 艷

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

我國科學(xué)家曾經(jīng)在研究機(jī)械設(shè)計(jì)配置時提出:在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，要將選擇機(jī)械材料放在重視的首位，在選擇零件時一定要遵照零件配置的合理性，與此同時還應(yīng)當(dāng)重視零件一定要符合配合性的要求。在機(jī)械制造和機(jī)械設(shè)計(jì)中，尺寸的配合是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅與機(jī)器所使用的壽命息息相關(guān)，而且它還決定著機(jī)器的性能，同時會影響到整個機(jī)器在使用時的經(jīng)濟(jì)性和互換性指標(biāo)。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)用和選擇必須要滿足基本的合理性，并且做到促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)保持可持續(xù)發(fā)展。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用和選擇的意義

在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中機(jī)械行業(yè)是一項(xiàng)非常重要的支撐型產(chǎn)業(yè)，對我國的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了推動作用。在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中應(yīng)用和選擇材料是一項(xiàng)非常重要的工作，特別是在我國提出了科學(xué)發(fā)展觀的要求后，對機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇和應(yīng)用更是加大了重視的力度。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中不能僅僅關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展，更應(yīng)當(dāng)考慮到要使環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益向著可持續(xù)發(fā)展的道路邁進(jìn)。

我國工業(yè)化的進(jìn)程變得越來越快，在機(jī)械設(shè)計(jì)中可以使用的材料變得越來越少，而機(jī)械設(shè)計(jì)中對材料的需求量卻與日俱增，在世界范圍內(nèi)都出現(xiàn)了資源稀缺與社會發(fā)展之間沖突的情況。為了使消費(fèi)者在物質(zhì)文化方面的需求得到滿足，并且提高消費(fèi)者的消費(fèi)水平，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)開始尋求一種新型的選材方式，這種方式不僅要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的適用性和經(jīng)濟(jì)性，還要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。這種改進(jìn)的方式使有限的資源得到了充分的利用，并且只有協(xié)調(diào)好機(jī)械設(shè)計(jì)材料的應(yīng)用和選擇，才能使機(jī)械設(shè)計(jì)工作得到進(jìn)一步的發(fā)展，使整個機(jī)械行業(yè)為社會發(fā)展的大環(huán)境作出巨大的貢獻(xiàn)。

2 應(yīng)用和選擇機(jī)械設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng)

2.1 遵循經(jīng)濟(jì)性和適用型的理念

選擇機(jī)械設(shè)計(jì)所用材料時不僅要遵循其經(jīng)濟(jì)性和適用性，而且在選擇材料時必須要格外的注意，在選擇材料時要將機(jī)械零件制造的合理性作為基礎(chǔ)，對零件的焊接工藝、鑄造工藝、熱處理工藝以及切削加工工藝等都做出適合機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求。在判斷機(jī)械鑄造工藝是否達(dá)標(biāo)時，可以從鑄造工藝的偏折性、收縮性、流動性等方面提出不同的要求;鍛造工藝要求材料必須符合鍛后冷卻，并且符合可鍛性、沖壓性等要求;零件的焊接工藝對零件焊接的接頭以及零件的使用性能都有比較敏感的要求;只有所選擇的材料達(dá)到了這些零件的要求，才能加工出完整并且符合要求的機(jī)械零部件，并且在整個機(jī)械制造過程中將機(jī)械零部件作為基礎(chǔ)，從而制造出更加符合要求的機(jī)械設(shè)備。與此同時，在選擇機(jī)械材料時還應(yīng)當(dāng)關(guān)注材料的經(jīng)濟(jì)性，一般在原材料的選擇方面都要遵循適用性的要求，并且盡量選擇一些成本比較低廉并且容易獲得的原材料。關(guān)注材料的利用率也是非常關(guān)鍵的，只有材料的利用率得到保證才能使材料的經(jīng)濟(jì)性得到保證，并且保證整個機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)得到長足的發(fā)展。

2.2 將綠色環(huán)保放在機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇的首位

在機(jī)械設(shè)計(jì)選擇和應(yīng)用材料時，還應(yīng)當(dāng)重視材料的綠色環(huán)保性，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，給我國生態(tài)和環(huán)境也造成了非常嚴(yán)重的困擾，使我國自然環(huán)境受到了極大的破壞，加之資源短缺情況已經(jīng)成為一個世界性的問題，所以在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時保持綠色生態(tài)的環(huán)保性成為了世界各個國家所關(guān)注的重點(diǎn)話題。在機(jī)械設(shè)計(jì)時也是如此，所采用的原材料一定要符合環(huán)保的要求，保證低成本、低耗能、高效率才能使環(huán)境污染不斷降低?？茖W(xué)家對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的研究，通過研究發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)一些鑄件零件時，生產(chǎn)鑄件時所用的成本大約在百分之七十至百分之八十之間，但是鑄件所得到的收益卻僅僅有百分之五。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中提倡綠色環(huán)保的生產(chǎn)方式，不僅能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)作出一份貢獻(xiàn)，而且可以大大地減少生產(chǎn)過程中所使用原材料的成本，從而減少一些無謂的能源消耗。除此之外，創(chuàng)新型空間的利用也可以起到良好的環(huán)保作用，使機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的環(huán)保要求得到滿足。

2.3 堅(jiān)持貫徹可持續(xù)發(fā)展觀

我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，為了使生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到協(xié)調(diào)，我國提出了可持續(xù)發(fā)展的理念。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇時必須堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展觀的要求，因?yàn)榭沙掷m(xù)發(fā)展原則可以更好地將材料使用和機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，并且可以挖掘出一種材料多種功能的潛力，不僅為機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)約了成本，而且?guī)ьI(lǐng)機(jī)械設(shè)計(jì)走上了一條穩(wěn)定、全面、可持續(xù)發(fā)展的道路。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇

3.1 載荷型材料的選擇

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械的元件是否能夠正常工作，一般是由機(jī)械材料外載荷性能決定的，要想預(yù)防并解決零件出現(xiàn)失效的問題，可以用機(jī)械零件所具備的性能解決此問題。一般出現(xiàn)零部件失效的原因都是由于零件的外載荷與零部件的性能可能出現(xiàn)了沖突，導(dǎo)致在選擇機(jī)械材料時必須選擇符合載荷性能的材料，才能使載荷型材料符合標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行材料選擇時，可以將載荷的性能分成兩個不同的方面:第一，在外載荷產(chǎn)生的作用力下零部件出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)的情況，這時應(yīng)力一般都集中在材料的表層，這說明零部件間的控制效果是由材料表面的性能決定的。因此，在選擇機(jī)械設(shè)計(jì)材料時選擇低碳鋼滲碳或者選擇中碳鋼作為原料所制成的機(jī)械部件可以承擔(dān)一定的載荷力。用這種方式選擇和加工的部件一般能夠保證零部件的質(zhì)量。第二，由于一些零部件在工作時需要承受一定的拉升力或者承受壓縮作用，所以在選擇材料時，應(yīng)當(dāng)選擇性能分布比較均勻的材料，這些材料能夠使零件橫截面的應(yīng)力得到加強(qiáng)，從而使機(jī)械在設(shè)計(jì)和加工過程中，材料可以更加高效地完成作業(yè)。

3.2 碳素鋼材料和合金鋼材料的選擇

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，選擇碳素鋼作為生產(chǎn)的原材料也是非常常見的，一般情況下購買碳素鋼的價格比較低廉，在對碳素鋼加工時，其工藝性相對也比較強(qiáng)，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是碳素鋼由于它本身強(qiáng)度較低，韌性也比較差，在制造一些中等形狀的材料時，碳素鋼不容易被完全淬透，這就影響到了碳素鋼的具體使用，所以可以對碳素鋼進(jìn)行改進(jìn)，在其中加入合金成分，最終形成一種新型的材料。這種合金鋼不僅強(qiáng)度和韌性能夠與碳素鋼相當(dāng)，而且其淬透性也非常強(qiáng)，除此之外，它在耐磨性方面與碳素鋼比較也得到了很大的提升。

3.3 選用可回收利用的材料

在進(jìn)行機(jī)械制造時，可以選用的金屬材料種類十分豐富，單說鋼材就已經(jīng)超過了百余種。但是在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，由于會將多種材料擺放堆砌在一起，所以在使用材料時很難對材料進(jìn)行區(qū)分，這就給回收利用材料帶來了很大的難度。所以，在選擇材料時應(yīng)當(dāng)注意材料的循環(huán)利用性，可以將一些合金材料或者相對比較單一的零部件作為使用的材料，這樣不僅材料的元件有所減少，而且也可以很好地解決材料帶給環(huán)境的壓力，使材料的循環(huán)利用可回收性都得到了提高。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)常用的材料

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，一些材料是非常常用的，只有對這些材料的性能進(jìn)行充分的了解，在使用時才能更加合理有效。第一，高分子材料，在一般情況下一些合成類的纖維、還有塑料等材料都被統(tǒng)稱為高分子材料，這種材料與其他材料相比，來源非常廣泛，在自然界的許多成分中都能提取出來，比如:利用天然氣提取高分子材料就是一種非常好的方式。在使用高分子材料時，不僅材料所消耗的能源非常低，而且材料的自身密度比較小，這使它具有良好的延展性。第二，金屬材料，在許多工程中我們都能看到金屬材料的身影，可見金屬材料的應(yīng)用范圍很廣，相關(guān)人員對金屬材料的使用情況做了專門的統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械產(chǎn)品中有百分之九十以上都使用到了金屬材料。而在眾多的金屬材料中，選用鋼鐵材料的也占大多數(shù)，這也是由于鋼材的自身性能非常好，不論是韌性還是強(qiáng)度都達(dá)到其使用標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，材料的價格非常低廉，在生產(chǎn)中材料可以在多個方面使用，這些特性也說明了鋼材非常適用于機(jī)械材料設(shè)計(jì)中。第三，復(fù)合型材料，一般情況下復(fù)合型材料都是由兩種或者兩種以上不同的材料構(gòu)成，在制作時運(yùn)用化學(xué)的方式將兩種以上不同的新型材料組合在一起就形成了復(fù)合型材料，復(fù)合型材料能夠滿足許多種不同的生產(chǎn)工藝，所以復(fù)合型材料應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛。日常對復(fù)合型材料進(jìn)行分類，一般可以分成非金屬和金屬材料兩種。比如:一些合金類的金屬材料就屬于復(fù)合型材料，橡膠、樹脂等非金屬新型材料也屬于是復(fù)合型材料。

5 結(jié)束語

在整個機(jī)械設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，選擇材料并且充分地利用材料是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，這非常有利于機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提高。因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)首先選擇合適的設(shè)計(jì)材料，在生產(chǎn)過程中運(yùn)用科學(xué)的制造工藝，最終做到環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的效益相互統(tǒng)一，使我國機(jī)械設(shè)計(jì)真正走向可持續(xù)發(fā)展的道路。

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