机械设计中的材料的选择和应用

边明江

摘要：选择并应用合理的材料是保证机械设计质量的前提，本文分析了机械设计与材料选择之间的关系，介绍了机械设计中经常使用的材料种类，并提出机械设计中选择和应用材料的注意事项。

关键词：机械设计；材料；选择和应用

0前言

随着社会经济的发展，工业现代化的进程不断加快，对所有关联产业提出了更高要求，机械设计是基础性产业，其质量对工业产业的发展产生直接影响，因此应当予以重视。机械设计中，选择材料是一个重要环节，如何根据设计需要选择合适的材料、在满足基本质量的前提下尽量节约成本，使我们需要思考的问题。

1机械设计与材料选择之间的关系

选择材料是机械设计过程中的重要环节，设计过程中要考虑所选择的材料是否能够及时供应。如果设计完成以后发现缺乏相关材料的支持，那么生产就无法正常进行，整个设计过程也就失去意义。机械设计与选择材料方面具有以下几种关系：首先是性能方面，不同的材料具备不同的性能，每种材料都有自身的优势和劣势，因此在选择材料的过程中，要考虑综合因素，包括该设计的具体功用以及使用环境等。例如，金属材料不适合在长期在潮湿的环境下使用，高分子材料不适合在高温下使用等；其次是质量方面，高质量的机械产品不仅体现在设计方案上，只有选择合适的材料，并将其合理搭配使用，才能保证产品有效发挥性能。相反，如果选择的材料不合理，设备的质量必然会受到影响；最后是成本方面的影响，一个行业进行生产经营的目的是为了获取经济效益，因此成本是必须要思考的问题，如果设计中使用的材料过于昂贵，那么产品必定会因为价格失去竞争优势[1]。

2机械设计中使用材料的种类

机械设计中经常使用的材料包括以下几种：其一是金属材料，金属材料由于性质稳定，因此被广泛应用于各类工程中，据统计，金属材料在机械产品中的使用率达到了90%以上，尤其是钢铁材料，不仅成本低，而且强度较高，韧性较好，因此在机械设计中被大量使用，另外，一部分合金的性能也比较好，在制作零部件时被广泛应用；其二为高分子材料，主要指塑料或者合成纤维，高分子材料的典型优点就是来源丰富，制作过程中对能源的消耗量不大，同时具有一定的耐腐蚀性，且延展性较好；其三是陶瓷材料，这种材料的主要成分是氮化硅和氧化硅，典型优势就是硬度高，耐腐蚀性好，且具备一定的抗压强度，陶瓷材料的缺点就是价格较高、且容易断裂，目前多用于制作一些密封零件；其四是复合材料，复合材料是由两种或者两种以上不同的材料通过物理方法或化学方法组合而成的材料，通常都是根据设计的具体要求来制作复合材料，具体成分包括金属和非金属两种，其中金属主要是铝和镁以及各类合金，非金属主要是树脂或者陶瓷[2]。

3机械设计中选择和应用材料的注意事项

3.1坚持实用性的原则

机械设计的过程中，要根据所设计设备的具体功用以及使用条件来合理选择材料，坚持实用性的原则。一些部位可能对材料的强度有较高要求，一些部位可能对材料的耐磨性有较高要求，而有些部位对耐腐蚀性有较高要求，对于暴露在外面的部分，甚至要求其具有一定的美观性，因此在选择材料时不能一概而论，要根据每个部位甚至每个零件的具体要求来选择合适的材料，保证制作出的设备能够有效发挥功用。

3.2选择对人体、环境无害的材料

一些特殊材料在使用的过程中会对人体造成伤害，废弃后无法回收，对环境造成严重污染。例如，Ni和As等元素就会对人体造成伤害；在制作集成电路时，Sn-Pb合金一度被广泛应用，这些电路板在废弃以后无法实现回收利用，产生固体废弃物，一般的做法就是对其进行填埋处理，但是Pb能够溶于水，对地下水源造成污染，进而损害人们的身体健康。另外，各类材料的混合使用为材料的回收增加了难度，不利于材料的循环利用。因此，在选择材料时，要尽量减少材料的种类，或者说尽量使用单一的合金系，同时要减少对有害金属的使用，保护人体健康的同时，减小对环境的破坏[3]。

3.3选择合适的载荷类型

研究表明，材料的外载荷性能决定着该部分零件的使用寿命，因此在选择材料时，要着重考量其载荷，一般将材料的载荷性能归为以下两类：首先，如果载荷的作用力过大，就会造成部分零件发生变形，而大部分应力都会集中在材料表层，说明材料表面的载荷性能对材料的使用寿命产生重要影响，为了提高材料的表面性能，可以采用一些措施对材料进行特殊加工，保证材料表层具有足够的硬度；其次，一部分零件需要承受较大的拉伸力或者压缩力，此时载荷会均匀分布在材料的横截面上，因此在选择材料时要考虑其性能分布是否均匀。

3.4选择在加工时低污染、低能耗的材料

首先，要尽量避免选择那些需要经过热处理的材料，因为热处理工艺会消耗较多能源，且在制作材料的过程中会对环境造成较严重的污染，要尽量选择那些经过冷拔就能保持良好性能的材料；其次，要选择生产制作工序少的材料，尤其是热处理的工序要少，可以对材料的淬硬层进行加热淬火处理，提升材料的韧性，同时降低处理过程中的能耗。

3.5选择成本低的材料

为了保证设计出的产品具有一定的价格优势，要尽量对选择成本低的材料，当然，低成本是在保证实用性、对人体以及环境无害、载荷类型合适的前提下，也就是说，要保证达到基本的设计质量或者说设备的性能要求后，才能去谈成本，如果不影响设计质量或者说对设计质量的影响较小，可以使用一些低成本的材料来代替高成本的材料，设计者要从中衡量好这个度。

4总结

机械设计中在选择材料时，要坚持实用性的原则，根据零件的具体要求确定材料的种类，同时要保证材料对人的身体和环境无害、加工材料的过程中低污染、低能耗，而且要充分考虑材料的载荷类型，在保证设计质量的前提下，尽量降低成本，保证设计出的产品具备价格优势。

参考文献：

[1]李冠效,雷长贵.机械设计中的材料的选择和应用解析[J].硅谷,2014,10(12):86-87.

[2]宫浩.浅谈机械设计中的材料选择和应用[J].科技致富向导,2015,11(13):230.

[3]黄梦奇,王婧.浅谈机械设计中材料的选择和应用[J].机电信息,2012,14(16):133-134.endprint