機械設計中材料的選擇與應用研究

王云德

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

1 機械設計與材料選擇的關系

在機械設計中，要使用大量的生產材料，如何合理選用材料使機械設計能夠實現是關鍵，如果機械設計的方案沒有合適的材料完成，那么機械設計就無法生產，只能成為無效的設計；如果機械設計中應用合適的材料，它能進一步優化機械設計，使機械設計的思路進一步拓展。機械設計與材料之間的關系從以下3個方面體現:

（1）成本的體現。機械設計的目的是為了將設計的機械生產出來，如果選用的材料成本過于昂貴，那么機械生產在市場競爭中將沒有價格優勢，為了讓機械成本能真正滿足人們的需要，人們在做機械設計時，首先就要考慮到材料的成本問題。

（2）性能的體現。不同的材料有不同的性能，以常用的機械設計材料來說，金屬材料性能好、強度高，然而許多金屬材料在潮濕的環境下易改變性能，因此使用金屬材料要考慮環境的問題；高分子材料彈性好、耐腐蝕性好，可是它不耐高溫，在高溫環境中它的性能會發生變化等。完成機械設計要考慮到材料的性能問題，它在考慮材料成本的前提下保證材料的性能能達到機械設計的需求。

（3）質量的體現。要完成一個機械產品的設計，可能同時需要多種材料共同完成。如果機械設計的材料運用合理，那么機械產品的每個環節都能在保證機械產品性能的前提下應用其優點，回避其缺點，使機械產品的質量能達到1+1>2的效果；反之如果對材料應用不當，機械產品的整體質量會降低，機械設計則達不到設計的目的。因此如何做好材料的搭配也是機械設計的關鍵。

2 在機械設計中選材要考慮的因素

在機械設計中，可能有多種材料的性能都能滿足機械生產的要求，然而在許多材料中選用哪種材料完成最終的生產才能使機械生產達到最優的目的，這是機械設計中必須要考慮的環節。通過實踐可以了解機械設計中對材料的選擇大體要考慮以下4個因素，只有對以下4個因素進行綜合考慮，最后才能了解機械設計時應當選用哪種材料:

（1）性能的因素。機械設計需要機械材料來完成，如果機械材料的性能不能保證設計的需要，那么機械設計就無法實現，因此，機械設計選擇材料時，確保材料的性能是第一原則。不同的材料有不同的性能、它們的負荷能力、強度等都不相同，機械設計師對產品進行設計時，要非常熟悉材料的性能，只有針對材料的性能進行合理的設計，機械設計才具有可實現性。

（2）環境的因素。該機械產品會在怎樣的環境中工作，是機械設計中必須要考慮的，因為環境因素對材料的影響非常大。比如說金屬材料會有熱脹冷縮的特性，它在高溫環境與低溫的環境狀態不一樣，如果對機械產品進行設計時，不注意工作環境，也許材料在惡劣的環境中工作，它將在短時期內失去原有的性能，機械產品也會出現質量問題。因此機械產品主要將用于何種環境，也是機械設計時必須熟悉的，根據不同的工作環境設計不同的機械產品，產品才能滿足人們的需求。

（3）工藝的因素。從機械設計到產品完成的過程中，機械產品的材料要走過多種工藝流程。比如它們可能要經過切割、拼接、焊接等。如果機械材料不適合進行批量加工，或者加工中容易出現問題，則該材料就不能被輕易采用，反之，如果該材料既容易獲取又容易進行工業加工，其性能又能夠保證產品的性能，則在對產品進行機械設計時可以優先使用該種材料。因此在對機械產品進行設計時，不能不考慮工藝生產的因素，它也是選擇使用某種材料時不得不參考的因素。

（4）價格的因素。機械產品要在市場上有足夠的競爭力，就需要做合理的價格定位，只有產品的性價比高，機械產品才能滿足人們的需要。因此價格的因素是機械設計時必須參考的。決定機械產品的價格取決于很多環節，比如材料是否容易獲取、材料是在當地獲取還是需要遠輸、對材料進行加工的成本、加工時造成的損失成本、材料保存的成本等。因此對機械產品進行設計時，要綜合考慮到對價格產生影響的環節，最后在滿足性能的前提下盡量選擇價格低廉的材料控制成本，機械產品在市場中才能保持競爭力。

3 傳統機械設計中材料的應用特質

（1）應用金屬材料。金屬材料是機械設計中最常用的材料，它是在含有金屬的原石中提煉出金屬，讓金屬成為機械產品設計中的材料。金屬材料有金、銀、銅、鐵、錫、鋁等，不同的金屬材料價格不同，性能也有很大的差異。從總體來說，金屬材料具有以下優點:容易獲取、耐磨損、耐熱性強、導熱性強，部分金屬的硬度和柔韌性都很強。它是機械產品設計中最常應用的材料。

（2）應用高分子材料。在機械設計中最常使用到的高分子材料為橡膠材料、塑料材料、纖維材料等。高分子材料重量輕、價格低廉、容易獲取，在一些特殊的場合使用高分子材料能提高機械產品的性價比。然而高分子材料也有它的弱點。比如橡膠材料不耐腐蝕，如果有化學物品對它進行侵蝕，它會失去原有的性能；塑料材料不耐高溫，如果遇到高溫環境它也會失去性能。

（3）應用陶瓷材料。陶瓷材料也常常被應用于機械設計中。陶瓷材料硬度高，它的硬度可以與金屬材料相媲美；它能耐腐蝕，化學材料的侵蝕無法對它產生很大的影響；重量輕，如果同等體積的陶瓷材料與金屬材料相比較，它的重量遠遠輕于金屬材料。然而陶瓷材料的特質是硬脆，它抗沖擊的能力比較差，如果遭受強大的沖擊會損壞，同時它的價格也比較昂貴。

（4）應用復合材料。所謂的復合材料是指將兩種不同性能的材料結合在一起，讓它們互相取長補短，使其性能比單一的材料更加優越。復合材料的范圍有很多，比如碳纖維、玻璃鋼、鋁不銹鋼等等，不同的復合材料性能不同，價格也不同。由于復合材料能夠綜合單一材料的性能優點，所以復合材料在機械產品設計中經常會被使用。未來隨著人們對材料性能的追求，將會開發出大量的復合材料。復合材料也將會越來越多地使用在機械產品設計中。

4 機械設計中材料的應用分析

現以一輛汽車生產為實例，分析它對材料的應用:

圖1 汽車的構成方式

如圖1所示，在一輛汽車生產中，不同的部位需要不同的材料，只有選用合適的材料才能滿足汽車的生產。

（1）復合材料的使用。塑料材料的使用主要應用在外飾件、部分內飾件與發動機周圍的零部件。該零部件要求外型美觀，能有極佳的顏色附著性；能統一生產、減少數值的偏差；要求彈性高、耐沖擊；要求能適合各種氣候和溫度，不能因為溫度改變而使外觀與性能產生改變；可更換性強，可以根據用戶的需要方便地拆卸以下零部件，更換新的零部件。從以上分析可以看到，使用塑料材料能滿足經濟的需求、環境溫度的需求、質輕價廉的需求。在各種材料比較中，它使用塑料材料。

（2）高分子材料的使用。高分子材料的使用主要應用在各種飾件中，比如各種儀表板、副儀表板、立柱、門板、座椅輔助部件等。由于該汽車為中低檔車，要求材料價格經濟，同時要求這類內飾件外觀良好、手感好、耐壓度高、能適應一定的溫度環境，所以使用高分子材料作為汽車的輔助材料。

（3）金屬材料的使用。與汽車發動機相關的材料幾乎全部使用金屬材料，這是由于發動機啟動時溫度高、油污多、外部環境變化極大、要求材料的復元性好、滿足經濟的需求，通過綜合比較，目前汽車發動機部位全部使用金屬材料構成。

通過以上分析能看到，材料的使用決定機械設計是否合理，不同的材料有不同的優缺點，要對機械產品進行設計時，要綜合考慮各方面的因素對材料進行選擇。以汽車的零部件生產為例，可以看到機械設計對材料選用的思路是對材料的各種綜合因素進行比較，選擇最能滿足人們需求的那種材料。

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