機(jī)械設(shè)計中的材料選擇及應(yīng)用研究

孫勇

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國工業(yè)也步入了高速發(fā)展的快車道，人們對于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計有了更高的要求，優(yōu)秀的設(shè)計理念必須通過良好的材料來實現(xiàn)。因此，機(jī)械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用成為人們關(guān)注的焦點。如何在確保機(jī)械產(chǎn)品正常使用性能的情況下，避免材料的浪費、使用節(jié)能環(huán)保材料，成為當(dāng)前機(jī)械行業(yè)研究的重點。對此，文章進(jìn)行了深入的分析和探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計；材料選擇；應(yīng)用

引言

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程不斷加快，城市化建設(shè)規(guī)模也持續(xù)擴(kuò)大。機(jī)械行業(yè)已經(jīng)成為推動國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，在社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位。保護(hù)生態(tài)環(huán)境，推動社會的可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今社會的主題。機(jī)械行業(yè)也不例外，人們對于機(jī)械設(shè)計中材料的選擇與應(yīng)用提出了更高的要求，機(jī)械設(shè)計人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，不僅要確保所采用的材料能夠滿足機(jī)械施工作業(yè)的基本需求，還要確保材料選擇的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性。

1 機(jī)械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用分析

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在推動生產(chǎn)力進(jìn)一步提高的同時，也引發(fā)了環(huán)境、資源等諸多的社會問題，我國幅員遼闊，地大物博，然而人均資源占有量卻并不豐富，加之經(jīng)過多年來的大量開發(fā)，很多機(jī)械設(shè)計中所需要的重要的資源已經(jīng)日益減少。在市場競爭的影響下，資源逐漸變得具有不穩(wěn)定性，這就更加引發(fā)了機(jī)械制造的材料成本的增高，機(jī)械材料的應(yīng)用空間也進(jìn)一步被壓縮。面對日益嚴(yán)峻的形勢，為了擺脫材料缺少帶來的機(jī)械制造業(yè)的困境，提高機(jī)械效率，延長機(jī)械使用壽命，在機(jī)械設(shè)計材料選擇上，必須進(jìn)行更加深入的研究。同時，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境、推動可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，選擇綠色節(jié)能、無污染的材料。

2 材料選擇和應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計中的注意事項

2.1 滿足機(jī)械零件應(yīng)用的要求

通過多年的研究和實踐可知，對于機(jī)械零件來說，其承受的外載荷是造成的零件失效的主要原因。因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的材料選擇時，必須綜合考慮材料的載荷性能以及在工作中零件所需要承受的外載荷的大小和特征。并以此作為選擇材料和進(jìn)行可靠性設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。零件在載荷的作用下，會發(fā)生彎曲或扭曲現(xiàn)象，這種變形有時候是可以恢復(fù)，有時則是永久性的，產(chǎn)生不可逆的彎曲、拉伸或壓縮變形。為了避免材料產(chǎn)生變形，確保零件的實用性，通常可以選擇各部分性能比較均勻的材料來制造零件，此外，也可以運用特殊的加工方式來改善材料的抗變形的性能。如用中碳鋼調(diào)質(zhì)或低碳鋼滲碳的加工方式對其進(jìn)行加工，進(jìn)而提高材料的性能指標(biāo)。

2.2 滿足經(jīng)濟(jì)性的要求

當(dāng)前，機(jī)械設(shè)計所需材料相當(dāng)缺乏，然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，機(jī)械工業(yè)也蓬勃發(fā)展起來，對于機(jī)械材料的需求量也與日俱增。面對如此多的需求，確保材料的經(jīng)濟(jì)性，就成為機(jī)械設(shè)計工作中必須要考慮的問題。既不能造成材料用量的浪費，也不能造成在材料性能方面的浪費。例如，在確定選用何種材料以及材料的硬度時，需要根據(jù)零部件尺寸以及零部件心部的強度等進(jìn)行確定，材料的用量滿足零件的機(jī)械性能即可，無需采用過多的材料而造成機(jī)械制造成本的增加。如果有效截面面積小于50mm，就可以選用20Cr；如果截面面積為50～150mm，且重量小于50千克，則可以選擇20Crmnti等。諸如此類，通過改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計中對于材料的選擇，就能夠避免浪費，節(jié)約成本。

2.3 滿足環(huán)保性的要求

工業(yè)垃圾、廢料垃圾、白色污染，這些在很多年前人們所不知道的名詞，現(xiàn)在已成為全世界廣泛關(guān)注的話題，環(huán)境污染問題已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題之一，而解決這一問題的有效途徑，就是促進(jìn)環(huán)保，保護(hù)生態(tài)平衡，推動可持續(xù)發(fā)展。機(jī)械設(shè)計人員也是任重道遠(yuǎn)，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計時，對于材料的選擇更需要多進(jìn)行研究、謹(jǐn)慎選擇。設(shè)計是生產(chǎn)的開端，生產(chǎn)取決于設(shè)計，為了追求更高的經(jīng)濟(jì)效益而以犧牲環(huán)境作為代價，是得不償失的。環(huán)境保護(hù)問題是關(guān)系到人類發(fā)展和生存的重大問題，作為設(shè)計人員，在進(jìn)行設(shè)計時必須以堅持環(huán)保為原則，重視材料選擇和應(yīng)用的環(huán)保性。

3 機(jī)械設(shè)計中材料選擇的重點問題

材料是機(jī)械設(shè)計理念得以實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的選擇也是機(jī)械設(shè)計工作的重點內(nèi)容。在進(jìn)行材料的選擇時，必須兼顧材料的各種性能，根據(jù)機(jī)械設(shè)計中對于零部件的工作性能的要求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。首先要使材料滿足機(jī)械部件在運行過程中各種機(jī)械性能、物理性能以及化學(xué)性能的要求，在此基礎(chǔ)上，還要兼顧機(jī)械生產(chǎn)與加工過程中的可操作性、經(jīng)濟(jì)性、安全性。

4 機(jī)械設(shè)計材料的選擇原則

4.1 載荷應(yīng)力大小和性質(zhì)

這方面的因素主要是從強度觀點來考慮，在充分了解材料的力學(xué)性能的前提下來進(jìn)行選擇。脆性材料原則上只適用于只在靜載荷下工作的零件。在多少有些沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料。金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于最常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯。

4.2 機(jī)械的工作情況

工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的應(yīng)力，或者是配合松動；另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。

4.3 零件的復(fù)雜程度及材料加工可能性

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件宜選用鑄造毛坯，或用板材沖壓出元件后再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。

5 機(jī)械設(shè)計中材料應(yīng)用工作的重點分析

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計過程中，除了要確保材料選擇的科學(xué)性和合理性，還要注重材料應(yīng)用工作的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，材料應(yīng)用工作是材料選擇工作的體現(xiàn)和拓展。在機(jī)械設(shè)計中，材料應(yīng)用的工作同樣具有著不可替代的重要地位。可以說，材料選擇工作關(guān)注的是合理性的要求，而材料應(yīng)用工作的重心則在于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。如何在確保零件實用性的條件下，正確處理材料選擇工作和材料應(yīng)用工作的關(guān)系，達(dá)到兩者的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，使材料兼具經(jīng)濟(jì)性、可操作性、節(jié)能環(huán)保性，是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計行業(yè)以及機(jī)械設(shè)計工作者必須面對和解決的重要課題，也是機(jī)械生產(chǎn)與加工行業(yè)蓬勃發(fā)展的必然選擇。

5.1 材料應(yīng)用工作是適用性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一

設(shè)計人員需要明確一點，適用性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一是當(dāng)前在機(jī)械設(shè)計材料應(yīng)用工作中首先要考慮的問題之一。

5.2 材料應(yīng)用工作是環(huán)保性與節(jié)能性的統(tǒng)一

時代的發(fā)展、社會的進(jìn)步，賦予了機(jī)械設(shè)計人員新的歷史使命，對其提出了更高的要求。在當(dāng)今生態(tài)經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)發(fā)展過程中，可持續(xù)發(fā)展的觀念深入人心，為了保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，必須把環(huán)保與節(jié)能作為機(jī)械設(shè)計材料應(yīng)用工作的重心。人類所擁有的原材料并非取之不盡用之不竭的，而是隨著需求和消耗而逐漸減少，有些材料甚至是不可才生的。最終勢必會給機(jī)械設(shè)計材料的選擇與應(yīng)用工作埋下嚴(yán)重的隱患，加強材料應(yīng)用工作中節(jié)能型與環(huán)保性的統(tǒng)一勢在必行。關(guān)注機(jī)械設(shè)計材料應(yīng)用階段的節(jié)能環(huán)保，不僅可以有效節(jié)約原材料和成本，減少不必要的能源耗費。與此同時，廣泛的創(chuàng)新空間還能夠滿足機(jī)械設(shè)計中材料應(yīng)用環(huán)節(jié)的環(huán)保性要求。

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