淺談機械設(shè)計中的材料選擇及應用

馬海明　趙宏家　高靜

摘要：本文首先分析了機械設(shè)計材料選擇的重要性，其次介紹了機械設(shè)計中材料選擇的原則，再次從機械設(shè)計材料選擇與實際應用等方面進行全面研究，最后達到推動機械設(shè)計科學選擇機械材料、落實生態(tài)節(jié)能設(shè)計理念的目的，為機械制造行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更多優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;金屬材料;復合型材料;

1 機械設(shè)計材料選擇及應用原則

1.1 必須滿足機械設(shè)計需求

機械材料的選擇主要目的是滿足機械設(shè)計要求，將機械設(shè)計理念付諸于實際制造，所以機械設(shè)計中必須嚴格遵循滿足機械設(shè)計需求的原則。機械設(shè)計期間根據(jù)機械設(shè)計基本內(nèi)容，選擇與之相匹配的材料，重視材料性能、使用途徑。不同的機械設(shè)計材料，在機械設(shè)計中承擔著不同的使用功能[2] 。機械材料種類繁多，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)合機械設(shè)計需求，分功能地選擇機械材料。

1.2 注重荷載水平高的材料的選擇

機械設(shè)計中材料的選擇，還要遵循荷載水平高的材料選擇原則。機械設(shè)備一般情況下都是長時間工作，設(shè)備的組成構(gòu)件在長時間運轉(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)主要原因是機械設(shè)計中，選擇的機械材料荷載承受能力低，無法滿足長時間工作需求，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)，在機械設(shè)計中，重視評估機械材料的荷載承受力，盡量選擇荷載水平高的材料。當然荷載水平評定需要根據(jù)機械行業(yè)限定標準為主，應用頻率高的機械材料相對來講荷載水平高，符合機械設(shè)計選擇要求。常見的荷載水平高的機械材料評定，包括低碳鋼滲碳處理工藝。根據(jù)此工藝對機械材料（鋼材質(zhì)量）進行荷載水平測試，為機械設(shè)計選擇適合的鋼材。

1.3 環(huán)保、無毒無害機械材料原則

機械設(shè)計中環(huán)保理念的指導，要求選擇機械材料期間必須遵循環(huán)保、無毒無害機械材料原則。機械材料作為機械制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機械設(shè)計期間需要從前期階段提高對材料選擇的重視，在諸多機械材料中制定環(huán)保選擇標準。機械設(shè)計中涉及到一些放射性元素設(shè)計，尤其是工業(yè)生產(chǎn)加工中，對于這種情況機械設(shè)計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、無毒無害材料的應用，減少機械設(shè)計制造對生態(tài)環(huán)境造成的影響，也可保證機械制造中員工的安全。

1.4 可循環(huán)再利用優(yōu)先選擇原則

機械材料選擇過程中，還要遵循可循環(huán)再利用材料優(yōu)先選擇原則。機械設(shè)計中材料類型多樣化，不同的機械設(shè)計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)，但是在實際生產(chǎn)加工中，因為工藝需求差異，部分機械設(shè)計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)束將材料及時回收處理，重新投入機械設(shè)計中，以此來提高機械設(shè)計與生產(chǎn)制造的資源使用率，同時發(fā)揮出材料的最大價值，在節(jié)省材料資源基礎(chǔ)上，保護機械制造生態(tài)環(huán)境。

1.5 低能耗、輕污染材料選擇原則

環(huán)保是當前機械設(shè)計重要理念，機械材料環(huán)保設(shè)計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械設(shè)計以及生產(chǎn)制造生命周期規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，同時也是核心所在。低能耗、輕污染與回收再利用不同，很多機械材料不能回收利用，所以必須從其適用性、經(jīng)濟性、低能耗方面著手，盡可能將機械材料生產(chǎn)加工難度降低，縮短材料加工時間，減少材料加工成本。以低能耗、輕污染材料選擇原則為指引，實現(xiàn)機械設(shè)計的科學規(guī)劃。

2機械設(shè)計材料的具體選擇

2.1 荷載性材料選擇

荷載性材料選擇中，結(jié)合機械設(shè)計具體內(nèi)容，分析荷載性材料對于機械產(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防，制定適當?shù)慕鉀Q方案，選擇適合的機械零件，保證材料選擇科學性。機械設(shè)計中零部件出現(xiàn)失效，主要因為外荷載與零部件之間存在沖突。荷載性材料選擇中，必須掌握機械設(shè)計中關(guān)于荷載性能方面的要求，準確選擇適合的材料[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。機械設(shè)計中材料規(guī)劃極為縝密，如果機械設(shè)備所有應力均集中在機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，就需要從機械材料的碳鋼類型加以選擇，以此為主要機械部件，幫助機械產(chǎn)品承擔荷載力。機械設(shè)計中關(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?shù)臋C械材料，從而保證機械設(shè)計與零部件加工質(zhì)量。其次是零部件壓縮性方面的選擇，機械材料在荷載性應用下都具有很強的承受能力，尤其是壓縮性方面。機械設(shè)計中材料的選擇，必須確保拉升力分布均勻。

2.2 合金鋼、碳素鋼材料選擇

機械設(shè)計中合金鋼、碳素鋼是材料選擇中的常見類型。機械設(shè)計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，不能滿足部分機械設(shè)計對韌性的要求，其次是強度低。所以碳素鋼材料如果在中等形狀制作中應用，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、強度方面的不足，增加機械材料的耐磨性，延長其使用壽命，滿足機械設(shè)計要求，保證機械制造質(zhì)量。

2.3 可回收機械材料選擇

遵循低能耗、回收再利用等原則，選擇可回收機械材料。機械設(shè)計中涉及到大量金屬材料，最常見的鋼材在實際選擇上種類達到上百種。這種情況下，要針對機械設(shè)計具體要求，使用不同鋼材堆砌完成制作。但是實際卻無法準確區(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)，如果機械設(shè)計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的問題。

3 機械設(shè)計中材料的科學應用

機械設(shè)計中材料的具體應用主要從高分子材料、金屬材料、復合型材料三方面展開研究。

3.1 高分子材料應用

高分子材料在機械設(shè)計中主要為塑料、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。高分子材料在實際應用中，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。

3.2 金屬材料應用

金屬材料應用是機械設(shè)計與制造的主要材料類型。機械產(chǎn)品中大部分元件均為金屬材料類型。實際應用中鋼鐵材料為主，結(jié)合金屬材料本身強度、韌性、耐磨性等特點，選擇價格低廉、質(zhì)量達標的材料。當然還可以從合金方面進行功能選擇，替代部分鋼鐵材料，提高其耐腐性。機械使用中必須注意其柔韌度，發(fā)揮金屬材料最大價值。

3.3 復合型材料應用

復合型材料應用，復合型材料主要包括兩種（以上）材料組成，復合型材料通過化學制作方式有效組合。機械設(shè)計中復合型材料應用，是不同材料的功能與組成元素，通過有效的化學處理將其進行升級，并且應用到機械設(shè)計中，保證機械設(shè)計的功能性、復合材料的實用性。

4結(jié)束語

綜上所述，機械設(shè)計是機械制造的基本前提，材料的選擇與應用是落實機械設(shè)計、完成機械制造的保障。

參考文獻：

[1] 孫恒波，劉長亮.化工設(shè)備設(shè)計中材料的選擇和有效運用[J].化工設(shè)計通訊，2018，45（06）：131+134.

[2] 劉璐.機械設(shè)計中材料的選擇和應用狀況分析[J].科技經(jīng)濟導刊，2018，27（11）：79.

[3] 王景秋.機械設(shè)計中材料的選擇和應用分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（10）：70.

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

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

（作者單位：1大連安達有色金屬鑄造有限公司;2大連安達船用螺旋槳有限公司;3大連安達有色金屬鑄造有限公司）