機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用思考

花韓

【摘 要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)于機(jī)械方面的要求也越來(lái)越高。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，材料的選用是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這是因?yàn)楹线m的材料能提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的效率和性能。基于此本文著重探討了機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇和應(yīng)用，希望對(duì)讀者提供有益參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；材料；機(jī)械生產(chǎn)

機(jī)械行業(yè)與人們的生活密不可分，兩者是互相促進(jìn)與發(fā)展的關(guān)系，機(jī)械推動(dòng)人們生活水平的提高，實(shí)現(xiàn)生活現(xiàn)代化；受助于現(xiàn)代化生活水平，科學(xué)技術(shù)也因此提高，從而促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，材料的優(yōu)劣決定了機(jī)械的性能和運(yùn)行效率，所以選擇合適的材料是決定機(jī)械水平的關(guān)鍵。

一、合適的材料對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)的重要性

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)也朝著巨型化、微型化的兩大趨勢(shì)在發(fā)展?；谶@兩大極限的發(fā)展方向，材料在機(jī)械水平提升中，起著重要的決定性作用，這是因?yàn)闄C(jī)械巨大化和微型化時(shí)出現(xiàn)了大量的問題，這些問題嚴(yán)重限制了機(jī)械性能和效率的發(fā)揮。一些大型機(jī)械達(dá)不到相應(yīng)的強(qiáng)度，那么會(huì)限制其使用的范圍；一些微型機(jī)械精細(xì)化達(dá)不到一定標(biāo)準(zhǔn)，那么機(jī)械化則失去意義；因而要想機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)一定的強(qiáng)度或精細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)，則要確保機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料是否能夠承載其設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

此外，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，一些機(jī)械材料也盡可能的要具有環(huán)保的特性，防止對(duì)環(huán)境造成重大危害，這對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)提出了更大的要求。對(duì)機(jī)械要求減少對(duì)環(huán)境和周邊人員的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的可回收性等環(huán)保要求。

機(jī)械設(shè)計(jì)中，選用合適的材料不僅能夠提升機(jī)械的性能，還能讓機(jī)械更經(jīng)濟(jì)環(huán)保，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇

（一）選用低污染、低能耗材料

在材料選擇上，要遵循生產(chǎn)過(guò)程低污染、加工過(guò)程低污染以及應(yīng)用過(guò)程低污染的原則。只有這樣才能確保在生產(chǎn)、加工、使用三個(gè)領(lǐng)域做到材料選擇的環(huán)保性，鼓勵(lì)其材料行業(yè)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保健康發(fā)展。

設(shè)計(jì)人員在材料選用上，還需要注意以下兩個(gè)方面：1、選擇未經(jīng)過(guò)熱處理的材料；2、如果一定要選擇經(jīng)過(guò)熱處理的材料，那么就選擇熱處理程序相對(duì)較少的材料，確保材料對(duì)能源消耗和污染的最小化。

（二）依據(jù)使用原則選擇材料

機(jī)械設(shè)計(jì)涉及到不同的零件，而每個(gè)零件都需要符合特定需求，這要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮材料的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的實(shí)用需求最大化。部分機(jī)械對(duì)強(qiáng)度有較大要求，那么在零件選用上就避免華而不實(shí)的零件。機(jī)械對(duì)不同零件的需求不同，設(shè)計(jì)人員要考慮其機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際使用需求。

（三）材料選用考慮載荷

對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要對(duì)機(jī)械的載荷進(jìn)行有效計(jì)算。計(jì)算的目的是因?yàn)橐x擇合適承載能力的材料進(jìn)行裝配。如果載荷能力過(guò)高的材料裝配到機(jī)械上，則相應(yīng)的機(jī)械成本就為之升高，且因?yàn)闄C(jī)械所涉及的使用需求并不需要如此高的承載能力，因而浪費(fèi)了其高載荷材料的性能；如果載荷能力低于設(shè)計(jì)需求的材料裝配到機(jī)械上，那么則因?yàn)檫_(dá)不到機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度需求，影響機(jī)械的使用壽命，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。

所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行載荷計(jì)算，就是為了評(píng)估其材料選擇的適配性，基于成本、環(huán)保的特點(diǎn)來(lái)選擇材料，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和使用性的統(tǒng)一。

（四）選用低毒性材料

一些機(jī)械材料在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，嚴(yán)重影響機(jī)械操作者的身體健康，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要極力避免此類材料的選用。

例如，含鎳的物質(zhì)在工業(yè)領(lǐng)域中屬于毒金屬材料，設(shè)計(jì)過(guò)程中要避免選用此類材料在機(jī)械的應(yīng)用，如果涉及環(huán)節(jié)必須使用此類有毒材料，那么一定要在人體接觸區(qū)域進(jìn)行無(wú)害化處理，最大程度的降低有毒材料對(duì)人體的傷害。

三、各種材料在機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

（一）陶瓷材料的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)中可選用新興材料，例如陶瓷材料就是較好的選擇，首先它的硬度很高，常應(yīng)用于制作密封零件；陶瓷還具有耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于化學(xué)儀器的制造；同時(shí)陶瓷材料還具有不俗的電特性，通常用于制作電容器，在鐵電陶瓷的作用下其電容器的形狀會(huì)有所變化，能夠把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，基于陶瓷材料的這種特點(diǎn)，聲吶、擴(kuò)聲機(jī)利用其性能實(shí)現(xiàn)功能的最大化。

除了常規(guī)陶瓷材料，新型納米陶瓷的研發(fā)，讓陶瓷材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，在航空航天和衛(wèi)星通訊都需要納米陶瓷材料[1]。

（二）復(fù)合材料的應(yīng)用

利用物理或化學(xué)的方法，把兩種或兩種以上具有不同性質(zhì)的材料，進(jìn)行一定的加工和處理，宏觀上組成了具有新性能的新型材料。符合材料具有揚(yáng)長(zhǎng)避短的特點(diǎn)，由于原組成材料。符合材料能夠綜合各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，組合搭配，實(shí)現(xiàn)性能需求個(gè)性化的定制，滿足機(jī)械領(lǐng)域的不同設(shè)計(jì)需求。

符合材料主要分為金屬材料、非金屬材料兩大類：金屬基體常用的金屬元素有金、銀、銅、鐵以及各類合金；非金屬基體主要由樹脂、橡膠、石墨等材料。

復(fù)合材料相對(duì)于原組成材料，它具有強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性強(qiáng)、隔音吸聲效果棒、防電、防熱等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于像航空航天、醫(yī)療器材等高精尖領(lǐng)域，對(duì)于此類材料有較高的需求。

（三）高分子材料的應(yīng)用

以化合物為基體，通過(guò)使用特定的添加劑添加進(jìn)基體中，這種物質(zhì)被稱之為高分子材料。相對(duì)于復(fù)合材料、陶瓷材料等制作工藝要求高的材料來(lái)說(shuō)，高分子材料更容易獲取，例如塑料、合成纖維就是生活中常見的高分子材料。高分子具有可再生與可循環(huán)的特性，符合機(jī)械設(shè)計(jì)材料的環(huán)保要求；同時(shí)高分子材料還可替代部分金屬材料，個(gè)別材料的特性比金屬材料更具優(yōu)勢(shì)，例如聚甲醛材料擁有著更高的耐磨性，常用于齒輪、軸承等設(shè)備的生產(chǎn)。在汽車制造業(yè)，高分子材料也被廣泛采用，它能減少汽車重量，減少對(duì)能源的消耗。

（四）金屬材料的應(yīng)用

金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中占據(jù)著相當(dāng)大的作用，也是使用時(shí)間最長(zhǎng)、頻率最高的材料，可以說(shuō)機(jī)械是由金屬所組成。在機(jī)械領(lǐng)域里，以金屬為主或金屬元素，都被稱之為金屬材料，最常應(yīng)用的金屬元素有鐵、錫、銅等。作為自然元素，金屬材料獲取成本相對(duì)于復(fù)合材料、高分子材料來(lái)說(shuō)，價(jià)格更為低廉、技術(shù)水平要求較低。同時(shí)金屬材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，能夠滿足一般機(jī)械生產(chǎn)對(duì)材料的需求。

除了單一金屬材料之外，對(duì)于金屬材料的研發(fā)也隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，而出現(xiàn)一大批新型的合金材料、特種金屬材料。合金材料拓展了金屬在機(jī)械制造的使用范圍，讓制造的金屬具備更高的強(qiáng)度和性能。合金材料和特種金屬材料在高科技領(lǐng)域也越來(lái)越被廣泛使用，其研發(fā)前景廣闊，是材料學(xué)的重要研究方向[2]。

（五）合金鋼與碳素鋼的應(yīng)用

碳素鋼作為當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)使用最廣泛的一種材料，有著加工工藝難度低、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，但是它的韌性和強(qiáng)度相對(duì)較差，不適合用于制作中等形狀以上零件。

為了解決碳素鋼的缺點(diǎn)，為其添加了一定的合金元素，研發(fā)出了合金鋼。合金鋼相較于碳素鋼提高了韌性和強(qiáng)度，同時(shí)淬透性、耐磨性也增強(qiáng)了。通常在防止零件產(chǎn)生淬火裂紋、零件變形或者在荷載壓力大的情況下，才會(huì)使用合金鋼。

四、結(jié)論

綜合上述，在機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇上要根據(jù)機(jī)械的使用需求，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的需求，選擇最符合需求的材料，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求，使得有限的材料資源能夠充分利用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]池占山.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇及應(yīng)用探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（21）：17-18.

[2]李冠效，雷長(zhǎng)貴.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用解析[J].硅谷，2014，7（02）：86-87.