試析金屬材料在機械設(shè)計中的選擇與應(yīng)用要點

李滿昌 馬澤群

摘要：金屬材料在機械設(shè)計中的地位無與倫比。在機械工業(yè)中如何對有限的金屬原材料進行完美的應(yīng)用對機械工業(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，才能在機械工業(yè)設(shè)計中發(fā)揮最大的作用。本文對此進行了分析。

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

前言

在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達的今天，要進一步利用科學(xué)技術(shù)，毫無疑問，傳統(tǒng)的機械需要得到徹底的更新，尤其是金屬材料，因此，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)的利用必須跟上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，充分利用材料，材料在機械設(shè)計中起著比以往更大的作用，使機械系統(tǒng)的設(shè)計能夠完成比以往更多的工作，這是對科學(xué)技術(shù)利用方向的一種改進。

1金屬材料在機械設(shè)計中的選擇原則

1.1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，必然需要對該零件的工作環(huán)境進行考慮，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，溫度變化可能對溫度敏感的材料產(chǎn)生永久損害。又如考慮到機械的實用性，必然不可能是少量次數(shù)的使用物品，那這就牽涉到長時間的保存，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，能長時間的在潮濕環(huán)境中保存，然而實用性不只是長時間保存的問題，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，機械中的傳動全靠物理接觸，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之一。其中任意一項因素的改變都將對該零件產(chǎn)生一定程度上的影響，而這種影響又會逐步傳播到下一步的工作進程中，從而導(dǎo)致整個機械模型受到影響，進而影響到工藝流程等，可見，在考慮機械設(shè)計的初步，就是考慮原材料的選取，而如何進行選取原材料，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)等等進行綜合考慮，得出一個最佳設(shè)計方案。

1.2 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，因為在機械設(shè)計中，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，一個大的載荷是必不可少的，否則，一個小的載荷不但不能有效承載外界附加載荷，還可能因為自身重量過程，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。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，因為內(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，就很有可能因為應(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)計成的機械模型，在實際運作中，將體現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，而優(yōu)秀的性能，體現(xiàn)在機械模型上，就是使用壽命，工作效率的提升。

1.3金屬材料的經(jīng)濟性和實效性

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)考慮一個新的問題，就是金屬材料的價格以及實際中使用效率，無疑，這是非常重要的一點，因為一臺優(yōu)秀的機械模型，不能因為建造成本的過高而放棄，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)該在每一個物理參數(shù)下進行橫向?qū)Ρ?，選擇出性價比高的材料，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，之后應(yīng)得出幾組材料的優(yōu)秀解，再次計算不同組之間的性價比，此時應(yīng)注意到時效性，即性價比的波動，綜上所述的綜合考慮后，選擇出性價比高的幾組作為機械模型設(shè)計的原材料。

1.4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，因為存在不同的物理參數(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)點都只是已經(jīng)設(shè)計好模型之后，什么樣的金屬材料才能滿足當(dāng)前機械模型的工作需求，但目前所面對的情況為，有了金屬原材料，需要開始加工流程，但因為不同的物理性能，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，也會因為不同的金屬材料而導(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為加工過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。

1.5機械設(shè)計中對金屬材料的應(yīng)用探討

從設(shè)計機械模型問題出發(fā)，探討機械模型所需的金屬材料，從第一步考慮機械中金屬材料所處位置，假想在那種工作環(huán)境中，金屬材料會受到怎樣的外界壓力，金屬材料自身又會產(chǎn)生怎樣的物理變化，又會對機械模型產(chǎn)生怎樣的影響，之后我們給出各個工作環(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)于機械設(shè)計的主要參數(shù)確定后，又考慮相應(yīng)金屬材料的采購，進而引出經(jīng)濟性的金屬材料選取，之后是考慮加工難點與工藝復(fù)雜，最后則是考慮到我們所處環(huán)境，整個流程工藝對環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響，至此，已經(jīng)全方位考慮關(guān)于機械設(shè)計的金屬材料選取問題。

2結(jié)束語

在機械設(shè)計中，多數(shù)人只看重機械設(shè)計的結(jié)構(gòu)，運作模式，處理能力，然而金屬材料的選擇，的確是設(shè)計一個優(yōu)秀機械最重要的基礎(chǔ)，沒有一個好的材料，如何能運作一臺優(yōu)秀的機械，如何讓科技的力量在機械中奔騰？所以一定要選擇合適的金屬材料，使其在機械設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。

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（作者單位：北京中誠正信工程咨詢有限公司遼寧分公司1

遼寧三木建設(shè)工程有限公司2）