金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用初探

黃東陽

摘 ?要：在科技高度發(fā)達(dá)的今天，想要在科技運(yùn)用方面再進(jìn)一步，毫無疑問，傳統(tǒng)機(jī)械需要得到一次徹底的更新?lián)Q代，例如聯(lián)接結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，機(jī)體結(jié)構(gòu)的改變，驅(qū)動(dòng)方式的選擇優(yōu)化等等。但毫無疑問的是，上述所有的一切都有一個(gè)非常重要的起點(diǎn)，那就是材料，尤其是金屬材料，金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的地位無與倫比。因此，在科技飛速發(fā)展的今天，科技的運(yùn)用必須跟上科技發(fā)展的步伐，而充分利用材料，使材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮出超過之前的功能，使設(shè)計(jì)出的機(jī)械系統(tǒng)能夠完成比之前更多的工作，這就是在科技運(yùn)用方向上的一種進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：金屬材料;機(jī)械;設(shè)計(jì);優(yōu)化探究;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH142 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0083-02

Abstract： Today， with the high development of science and technology， if we want to go further in the application of science and technology， there is no doubt that traditional machinery needs to be thoroughly updated， such as the innovation of the connection structure and the change of the structure of the body. The selection and optimization of driving mode and so on. But there is no doubt that all of the above has a very important starting point， that is， materials， especially metal materials， metal materials in the mechanical design of the unparalleled position. Therefore， with the rapid development of science and technology， the application of science and technology must keep up with the pace of the development of science and technology， and make full use of materials to make materials play more functions than before in mechanical design， so that the designed mechanical system can do more work than before. This is progress in the direction of the application of science and technology.

Keywords： metal materials; machinery; design; optimization inquiry; application

1 概述

隨著時(shí)代的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)日漸成熟，目前很多工業(yè)企業(yè)與現(xiàn)代化技術(shù)融合形成了具有未來發(fā)展特點(diǎn)的現(xiàn)代化工業(yè)。在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中，隨著人們生活水平的提高，與之而來的是工業(yè)用原材料的稀缺，并且隨著時(shí)間的推移，兩者的矛盾逐漸突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前為止世界上用于工業(yè)的材料已經(jīng)達(dá)到了四十多萬種，并且每年還在遞增中。相信不久的未來這些材料會(huì)變得異常珍貴，所以，各行各業(yè)都在爭(zhēng)取用有效的原材料資源來提升自己的發(fā)展空間，機(jī)械工業(yè)也不例外。在這種情況下，機(jī)械工程的發(fā)展就變得急迫起來，所以，在機(jī)械工業(yè)中如何對(duì)有限的金屬原材料進(jìn)行完美的應(yīng)用對(duì)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。由于金屬材料種類多樣，它們的特性也有很大的不同，只有掌握好這些原材料的分類、性能以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容，才能在機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮最大的作用。

2 金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇原則

2.1 需要考慮零件的工作環(huán)境

在如何選擇金屬材料加工某一確定零件，必然需要對(duì)該零件的工作環(huán)境進(jìn)行考慮，例如常見的壓力變化，溫度變化，電導(dǎo)率變化，體積變化等等。壓力變化可能引起零件表面的受力結(jié)構(gòu)受到破壞，溫度變化可能對(duì)溫度敏感的材料產(chǎn)生永久損害。以及在精密儀器中十分重要的楊氏模量系數(shù)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系系數(shù)，這能反映該材料在面對(duì)外界壓力時(shí)的應(yīng)變情況，選擇一個(gè)大的楊氏模量系數(shù)，可作為承載應(yīng)力大的材料。又如考慮到機(jī)械的實(shí)用性，必然不可能是少量次數(shù)的使用物品，那這就牽涉到長(zhǎng)時(shí)間的保存，而金屬材料的保存，面臨的最大問題就是耐腐蝕問題，一種良好的耐腐蝕材料，能長(zhǎng)時(shí)間的在潮濕環(huán)境中保存，然而實(shí)用性不只是長(zhǎng)時(shí)間保存的問題，還有高頻的使用，高次數(shù)的使用必然導(dǎo)致出現(xiàn)新的問題，就是磨蝕，機(jī)械中的傳動(dòng)全靠物理接觸，而每一次物理接觸，都是一次極其微小的磨損，在次數(shù)極高的運(yùn)作下，每次微小的磨損疊加后引起的是顯著的金屬結(jié)構(gòu)的變形與破壞，因此，耐磨性必然也是選擇的要點(diǎn)之一。其中任意一項(xiàng)因素的改變都將對(duì)該零件產(chǎn)生一定程度上的影響，而這種影響又會(huì)逐步傳播到下一步的工作進(jìn)程中，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械模型受到影響，進(jìn)而影響到工藝流程等，可見，在考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的初步，就是考慮原材料的選取，而如何進(jìn)行選取原材料，又需要從制作完成后的零件所處的工作環(huán)境，以及原材料本身的物理系數(shù)等等進(jìn)行綜合考慮，得出一個(gè)最佳設(shè)計(jì)方案。

2.2 金屬材料的載荷和應(yīng)力

當(dāng)材料的工作環(huán)境確定之后，大致的金屬材料要求也能確定很多部分，但仍然不足，因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)計(jì)中，最重要的還是金屬材料的載荷以及應(yīng)力。金屬材料的載荷，通常有金屬自身重量的載荷，以及外界壓力的載荷，兩者結(jié)加在一起，構(gòu)成對(duì)金屬材料的總載荷，若金屬材料能夠滿足工作環(huán)境所需條件，一個(gè)大的載荷是必不可少的，否則，一個(gè)小的載荷不但不能有效承載外界附加載荷，還可能因?yàn)樽陨碇亓窟^程，導(dǎo)致自身載荷大于自身所能承載的極限，從而導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)的破壞。而金屬的應(yīng)力，則是金屬材料在受到外界壓力而產(chǎn)生形變時(shí)，因材料本身形狀發(fā)生改變，從而內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)分布同樣發(fā)生改變，外部應(yīng)力就在這時(shí)產(chǎn)生，應(yīng)力作用于材料形變的各部分之間，總是力圖使材料恢復(fù)原狀，可以理解應(yīng)力為材料本身的恢復(fù)力。應(yīng)力可以在材料剛度和脆性上得到體現(xiàn)，應(yīng)力大的材料，因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力作用，外界力很難使材料發(fā)生形變，體現(xiàn)剛度;但一旦形變，就很有可能因?yàn)閼?yīng)力過大的作用而使材料本身結(jié)構(gòu)被破壞。由此可見，金屬材料的荷載需要的一個(gè)較大的值，這能有效承載材料的總荷載，但應(yīng)力卻需要一個(gè)適中的值，這樣能確保材料不易形變與脆性過高。這樣的材料制作成的零件，再由零件設(shè)計(jì)成的機(jī)械模型，在實(shí)際運(yùn)作中，將體現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，而優(yōu)秀的性能，體現(xiàn)在機(jī)械模型上，就是使用壽命，工作效率的提升。

2.3 金屬材料的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)效性

在金屬材料各方面的物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍選擇確定后，應(yīng)當(dāng)再繼續(xù)考慮一個(gè)新的問題，就是金屬材料的價(jià)格以及實(shí)際中使用效率，無疑，這是非常重要的一點(diǎn)，因?yàn)橐慌_(tái)優(yōu)秀的機(jī)械模型，不能因?yàn)榻ㄔ斐杀镜倪^高而放棄，因此在金屬材料各方面物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍確定的前提下，更應(yīng)該在每一個(gè)物理參數(shù)下進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，選擇出性價(jià)比高的材料，再根據(jù)當(dāng)前材料，調(diào)整后續(xù)物理參數(shù)所需數(shù)值，值得注意的是后續(xù)選擇參數(shù)不應(yīng)超過之前確定的物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍，所改參數(shù)僅僅只是數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的上下波動(dòng)，之后應(yīng)得出幾組材料的優(yōu)秀解，再次計(jì)算不同組之間的性價(jià)比，此時(shí)應(yīng)注意到時(shí)效性，即性價(jià)比的波動(dòng)，綜上所述的綜合考慮后，選擇出性價(jià)比高的幾組作為機(jī)械模型設(shè)計(jì)的原材料。

2.4 金屬材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)程度及加工性能

不同材料之間，因?yàn)榇嬖诓煌奈锢韰?shù)，所以有不同的物理性能，之前所考慮的金屬材料選擇出發(fā)點(diǎn)都只是已經(jīng)設(shè)計(jì)好模型之后，什么樣的金屬材料才能滿足當(dāng)前機(jī)械模型的工作需求，但目前所面對(duì)的情況為，有了金屬原材料，需要開始加工流程，但因?yàn)椴煌奈锢硇阅?，加工難度存在明顯區(qū)別，加工難度不僅是體現(xiàn)在加工材料的物理性能差異上，還體現(xiàn)在加工零件模型的操作困難上，同一種金屬材料，加工不同的金屬零部件，加工難度完全不同，而同一的金屬零件加工，也會(huì)因?yàn)椴煌慕饘俨牧隙鴮?dǎo)致加工難度存在差異，加工之后，金屬材料的物理特性可能因?yàn)榧庸み^程的切割高溫等因素而產(chǎn)生變化，不同材料變化的程度不同，因此，我們需要確保加工之后金屬材料的物理性能依舊符合之前的需求，因此去掉物理數(shù)據(jù)變化明顯的那一組金屬材料。

2.5 金屬材料的環(huán)保及可循環(huán)性

同樣的，之前在選擇金屬材料時(shí)，依舊只是參考了關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)這本身的一個(gè)問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有考慮到環(huán)保這個(gè)大問題上，所以最后，我們還得考慮環(huán)保及可循環(huán)這一對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)不重要但對(duì)我們生活環(huán)境很重要的問題。首先看污染可能產(chǎn)生的幾個(gè)源頭，一是加工流程，在這一過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種廢氣廢料等等，但我們?nèi)匀豢梢赃x擇在加工過程產(chǎn)生污染小的金屬材料，例如有些金屬材料的加工需要用到一些能產(chǎn)生重污染的步驟，我們就應(yīng)當(dāng)換一種金屬材料，避免這一步驟。二是減少環(huán)境危害，當(dāng)廢氣廢料等排放到周圍環(huán)境后，必然會(huì)污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，但我們?nèi)孕枳龀鲎约鹤畲笈?，如金屬材料著重選取危害性小的金屬材料，或是危害性極小的新型金屬材料。三自然是可循環(huán)，所謂可循環(huán)，就是指所謂廢料等能夠經(jīng)過處理從而再次被使用，因此，在金屬材料的選取上，優(yōu)先選取可循環(huán)使用的金屬材料，或是能夠被回收利用的金屬材料，總而言之，就是不要過多使用一次性金屬材料，盡可能讓金屬材料得到充分利用。

2.6 機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)金屬材料的應(yīng)用探討

從設(shè)計(jì)機(jī)械模型問題出發(fā)，探討機(jī)械模型所需的金屬材料，從第一步考慮機(jī)械中金屬材料所處位置，假想在那種工作環(huán)境中，金屬材料會(huì)受到怎樣的外界壓力，金屬材料自身又會(huì)產(chǎn)生怎樣的物理變化，又會(huì)對(duì)機(jī)械模型產(chǎn)生怎樣的影響，之后我們給出各個(gè)工作環(huán)境下金屬材料應(yīng)當(dāng)怎樣確定材料物理參數(shù)的范圍，然后考慮金屬材料在自身及外界荷載下將承受怎樣的荷載以及產(chǎn)生怎樣的應(yīng)力，相應(yīng)之間又該如何選擇，當(dāng)這些關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的主要參數(shù)確定后，又考慮相應(yīng)金屬材料的采購，進(jìn)而引出經(jīng)濟(jì)性的金屬材料選取，之后是考慮加工難點(diǎn)與工藝復(fù)雜，最后則是考慮到我們所處環(huán)境，整個(gè)流程工藝對(duì)環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響，至此，已經(jīng)全方位考慮關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的金屬材料選取問題。

3 結(jié)束語

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，多數(shù)人只看重機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)作模式，處理能力，然而金屬材料的選擇，的確是設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀機(jī)械最重要的基礎(chǔ)，沒有一個(gè)好的材料，如何能運(yùn)作一臺(tái)優(yōu)秀的機(jī)械，如何讓科技的力量在機(jī)械中奔騰？所以一定要選擇合適的金屬材料，使其在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用。

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