分析機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇及應(yīng)用

劉亦晴

摘 要：本文以機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇及應(yīng)用為中心，首先分析了機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇的重要性，其次介紹了機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇的原則，再次從機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇與實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行全面研究，最后達(dá)到推動機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)選擇機(jī)械材料、落實(shí)生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)理念的目的，為機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更多優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);金屬材料;復(fù)合型材料;荷載水平

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇及應(yīng)用直接影響到機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。尤其是在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)化與現(xiàn)代化發(fā)展成為主要方向，機(jī)械設(shè)計(jì)在不斷努力下取得更多突破。機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)人員數(shù)量增加，隊(duì)伍的不斷壯大在很大程度上為機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展奠定了扎實(shí)的人力資源基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇作為關(guān)鍵，必須一改傳統(tǒng)過度消耗的選擇以及應(yīng)用理念，進(jìn)一步解決稀缺材料不足現(xiàn)象做好材料選擇及應(yīng)用創(chuàng)新工作。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中科學(xué)選擇材料的重要性

機(jī)械設(shè)計(jì)中之所以不斷提高對材料選擇的重視，主要因?yàn)楣I(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)要求不斷提高，加上現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新，機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)系著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，材料決定機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，所以必須重視機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇以及應(yīng)用。改革開放為機(jī)械設(shè)計(jì)帶來巨大發(fā)展機(jī)遇，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展需要機(jī)械設(shè)計(jì)的支持。機(jī)械設(shè)計(jì)期間，材料決定機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用的質(zhì)量。現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)提高，機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量越來越受到重視，在此基礎(chǔ)上，機(jī)械設(shè)計(jì)必須選擇正確的材料，才能更好地制造與現(xiàn)代化發(fā)展相匹配的機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械材料的選擇與合理應(yīng)用，對機(jī)械設(shè)計(jì)來講具有不可替代的作用[1]。在生態(tài)化、可持續(xù)、環(huán)保發(fā)展理念下，機(jī)械設(shè)計(jì)必須進(jìn)行設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新，從綠色節(jié)能角度出發(fā)去選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械材料，并且充分應(yīng)用，減少資源、能源消耗，保證機(jī)械產(chǎn)品功能性，防止機(jī)械制造對環(huán)境造成巨大污染，威脅生產(chǎn)資源平衡。材料選擇注重環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、適用性，利用機(jī)械材料的科學(xué)選擇，落實(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)保理念，從而提高機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量，推動機(jī)械制造業(yè)發(fā)展。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇及應(yīng)用原則

2.1 必須滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求

機(jī)械材料的選擇主要目的是滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，將機(jī)械設(shè)計(jì)理念付諸于實(shí)際制造，所以機(jī)械設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵循滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求的原則。機(jī)械設(shè)計(jì)期間根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基本內(nèi)容，選擇與之相匹配的材料，重視材料性能、使用途徑。不同的機(jī)械設(shè)計(jì)材料，在機(jī)械設(shè)計(jì)中承擔(dān)著不同的使用功能[2]。機(jī)械材料種類繁多，材料與材料之間存在著本質(zhì)性的功能差別，在具體選擇中，必須結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)需求，分功能地選擇機(jī)械材料。

2.2 注重荷載水平高的材料的選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇，還要遵循荷載水平高的材料選擇原則。機(jī)械設(shè)備一般情況下都是長時(shí)間工作，設(shè)備的組成構(gòu)件在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)下會出現(xiàn)磨損或者功能減弱等狀況，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要原因是機(jī)械設(shè)計(jì)中，選擇的機(jī)械材料荷載承受能力低，無法滿足長時(shí)間工作需求，使用壽命縮短、功能喪失[3]。面對這種情況，必須從荷載水平角度出發(fā)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，重視評估機(jī)械材料的荷載承受力，盡量選擇荷載水平高的材料。當(dāng)然荷載水平評定需要根據(jù)機(jī)械行業(yè)限定標(biāo)準(zhǔn)為主，應(yīng)用頻率高的機(jī)械材料相對來講荷載水平高，符合機(jī)械設(shè)計(jì)選擇要求。常見的荷載水平高的機(jī)械材料評定，包括低碳鋼滲碳處理工藝。根據(jù)此工藝對機(jī)械材料（鋼材質(zhì)量）進(jìn)行荷載水平測試，為機(jī)械設(shè)計(jì)選擇適合的鋼材。

2.3 環(huán)保、無毒無害機(jī)械材料原則

機(jī)械設(shè)計(jì)中環(huán)保理念的指導(dǎo)，要求選擇機(jī)械材料期間必須遵循環(huán)保、無毒無害機(jī)械材料原則。機(jī)械材料作為機(jī)械制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)械設(shè)計(jì)期間需要從前期階段提高對材料選擇的重視，在諸多機(jī)械材料中制定環(huán)保選擇標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及到一些放射性元素設(shè)計(jì)，尤其是工業(yè)生產(chǎn)加工中，對于這種情況機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇必須提前做好環(huán)保處理，以無污染處理的方式，通過節(jié)能、環(huán)保、無毒無害材料的應(yīng)用，減少機(jī)械設(shè)計(jì)制造對生態(tài)環(huán)境造成的影響，也可保證機(jī)械制造中員工的安全。

2.4 可循環(huán)再利用優(yōu)先選擇原則

機(jī)械材料選擇過程中，還要遵循可循環(huán)再利用材料優(yōu)先選擇原則。機(jī)械設(shè)計(jì)中材料類型多樣化，不同的機(jī)械設(shè)計(jì)功能需要不同的材料。那么在材料選擇期間，首要材料選擇多為金屬材質(zhì)，但是在實(shí)際生產(chǎn)加工中，因?yàn)楣に囆枨蟛町?，部分機(jī)械設(shè)計(jì)會提出特殊材料要求。對于這種情況就必須以可循環(huán)再利用材料作為首選，根據(jù)材料功能對其采取綜合性處理[4]。機(jī)械材料組成的零構(gòu)件擁有固定的使用生命周期，使用生命周期結(jié)束將材料及時(shí)回收處理，重新投入機(jī)械設(shè)計(jì)中，以此來提高機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的資源使用率，同時(shí)發(fā)揮出材料的最大價(jià)值，在節(jié)省材料資源基礎(chǔ)上，保護(hù)機(jī)械制造生態(tài)環(huán)境。

2.5 低能耗、輕污染材料選擇原則

環(huán)保是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)重要理念，機(jī)械材料環(huán)保設(shè)計(jì)中材料選擇首要以低能耗、輕污染類型為主，低能耗材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造生命周期規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，同時(shí)也是核心所在。低能耗、輕污染與回收再利用不同，很多機(jī)械材料不能回收利用，所以必須從其適用性、經(jīng)濟(jì)性、低能耗方面著手，盡可能將機(jī)械材料生產(chǎn)加工難度降低，縮短材料加工時(shí)間，減少材料加工成本。以低能耗、輕污染材料選擇原則為指引，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)規(guī)劃。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)材料的具體選擇

3.1 荷載性材料選擇

荷載性材料選擇中，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)具體內(nèi)容，分析荷載性材料對于機(jī)械產(chǎn)品制造的影響、元件工作作用等，如果荷載性影響到正常工作，則在選擇期間需要做好零件失效預(yù)防，制定適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，選擇適合的機(jī)械零件，保證材料選擇科學(xué)性。機(jī)械設(shè)計(jì)中零部件出現(xiàn)失效，主要因?yàn)橥夂奢d與零部件之間存在沖突。荷載性材料選擇中，必須掌握機(jī)械設(shè)計(jì)中關(guān)于荷載性能方面的要求，準(zhǔn)確選擇適合的材料[5]。具體荷載性材料選擇，可以從兩方面著手。首先觀察材料元件是否會在荷載變化情況下出現(xiàn)磨損或者扭轉(zhuǎn)等情況。機(jī)械設(shè)計(jì)中材料規(guī)劃極為縝密，如果機(jī)械設(shè)備所有應(yīng)力均集中在機(jī)械材料的中心或者表面，那么零部件主要控制源為材料表面。這種情況下，就需要從機(jī)械材料的碳鋼類型加以選擇，以此為主要機(jī)械部件，幫助機(jī)械產(chǎn)品承擔(dān)荷載力。機(jī)械設(shè)計(jì)中關(guān)于材料選擇，必須掌握零部件的加工制作，結(jié)合荷載性為基礎(chǔ)，選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械材料，從而保證機(jī)械設(shè)計(jì)與零部件加工質(zhì)量。其次是零部件壓縮性方面的選擇，機(jī)械材料在荷載性應(yīng)用下都具有很強(qiáng)的承受能力，尤其是壓縮性方面。機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇，必須確保拉升力分布均勻。

3.2 合金鋼、碳素鋼材料選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)中合金鋼、碳素鋼是材料選擇中的常見類型。機(jī)械設(shè)計(jì)期間如果涉及到生產(chǎn)原材料，多數(shù)情況下選擇碳素鋼。碳素鋼本身價(jià)格低廉，工藝性理想，非特殊情況下生產(chǎn)原材料以碳素鋼為主。當(dāng)然碳素鋼在很多方面存在不足，首先是韌性差，不能滿足部分機(jī)械設(shè)計(jì)對韌性的要求，其次是強(qiáng)度低。所以碳素鋼材料如果在中等形狀制作中應(yīng)用，不能完全加工淬透。這種情況下選擇合金鋼或者在碳素鋼中加入合金成分，改善其韌性、強(qiáng)度方面的不足，增加機(jī)械材料的耐磨性，延長其使用壽命，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，保證機(jī)械制造質(zhì)量。

3.3 可回收機(jī)械材料選擇

遵循低能耗、回收再利用等原則，選擇可回收機(jī)械材料。機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及到大量金屬材料，最常見的鋼材在實(shí)際選擇上種類達(dá)到上百種。這種情況下，要針對機(jī)械設(shè)計(jì)具體要求，使用不同鋼材堆砌完成制作[6]。但是實(shí)際卻無法準(zhǔn)確區(qū)分可回收鋼材、不可回收鋼材?？苫厥珍摬膮^(qū)分，需要從循環(huán)性角度出發(fā)，如果機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及到某一種零部件，其主要材料為合金，那么在選擇材料中就需要從可回收合金角度出發(fā)。這樣一來，既可以節(jié)省材料成本，又能夠解決資源浪費(fèi)的問題。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的科學(xué)應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的具體應(yīng)用主要從高分子材料、金屬材料、復(fù)合型材料三方面展開研究。

4.1 高分子材料應(yīng)用

高分子材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中主要為塑料、合成類纖維等材料。這些材料相較于其他金屬材料，適用范圍廣闊，并且材料制作便捷。高分子材料在實(shí)際應(yīng)用中，利用天然氣的方式加以提取并且投入使用，降低高分子材料能耗，加上高分子材料密度小，所以很大程度上提升材料延展性與適用性。

4.2 金屬材料應(yīng)用

金屬材料應(yīng)用是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的主要材料類型。機(jī)械產(chǎn)品中大部分元件均為金屬材料類型。實(shí)際應(yīng)用中鋼鐵材料為主，結(jié)合金屬材料本身強(qiáng)度、韌性、耐磨性等特點(diǎn)，選擇價(jià)格低廉、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的材料。當(dāng)然還可以從合金方面進(jìn)行功能選擇，替代部分鋼鐵材料，提高其耐腐性。機(jī)械使用中必須注意其柔韌度，發(fā)揮金屬材料最大價(jià)值。

4.3 復(fù)合型材料應(yīng)用

復(fù)合型材料應(yīng)用，復(fù)合型材料主要包括兩種（以上）材料組成，復(fù)合型材料通過化學(xué)制作方式有效組合。機(jī)械設(shè)計(jì)中復(fù)合型材料應(yīng)用，是不同材料的功能與組成元素，通過有效的化學(xué)處理將其進(jìn)行升級，并且應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，保證機(jī)械設(shè)計(jì)的功能性、復(fù)合材料的實(shí)用性。

5 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的基本前提，材料的選擇與應(yīng)用是落實(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)、完成機(jī)械制造的保障。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)對機(jī)械材料的選擇與應(yīng)用越來越嚴(yán)格，須結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)具體要求，遵循材料選擇基本原則，從材料的種類、荷載力等方面積極選擇適合的機(jī)械材料，保證機(jī)械設(shè)計(jì)功能性的同時(shí)，提高機(jī)械制造質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的可持續(xù)、節(jié)能發(fā)展，減少機(jī)械制造對生態(tài)環(huán)境的破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫恒波，劉長亮.化工設(shè)備設(shè)計(jì)中材料的選擇和有效運(yùn)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（06）：131+134.

[2]劉璐.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用狀況分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（11）：79.

[3]王景秋.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（10）：70.

[4]高鵬，韓偉.金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用分析[J].世界有色金屬，2018（21）：29-30.

[5]黃信軍.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用分析[J].世界有色金屬，2018（18）：244+246.

[6]胡士齊.機(jī)械設(shè)計(jì)中新型材料選用的研究[J].信息記錄材料，2018，19（11）：13-14.