機械設計中的材料選用淺析

張露

摘要：材料是機械制造的基礎，材料選擇合理與否是機械設計是否成功的第一步。文章首先對機械制造中常用的四種材料進行了介紹，隨后提出了機械設計中材料選用的兩個原則，最后闡述了材料選用的幾點注意事項。

關鍵詞：機械設計；材料選用；適用性；節能環保；機械制造 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2017）11-0104-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.053

1 概述

機械設備在日常生活中無處不在，大到飛機、火車、輪船、各種工程設備，小到手機、手表、各種電子產品等，都屬于機械設備。在機械制造過程中，設計是第一步。而在機械設計中，材料的選擇又是非常關鍵的一環。材料選用合理是實現機械產品價格合理、質量耐用、產品壽命長的基礎。在歷史上，一種新材料的問世，往往會開辟一個新的時代。例如，人類掌握了青銅的冶煉技術以后，就進入了青銅器時代；掌握了煉鐵技術后，人類進入了鐵器時代。從20世紀下半葉到21世紀初，又有很多新材料相繼問世，如碳纖維復合材料、石墨烯、鈦合金等，每一種材料的出現都會給工業，特別是機械制造業帶來革命性的變化。下面本文就淺顯地談一談機械設計中材料的選用問題。

2 常見材料的分類

目前在機械制造中應用的材料主要有四類，即金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。下面分別敘述：

2.1 金屬材料

金屬材料是現代社會中使用非常廣泛的一類材料，從汽車、飛機、輪船，到手機、打火機等機械產品，都有金屬材料的身影。金屬材料按照顏色分，可以分為黑色金屬和有色金屬，黑色金屬主要有三種：鐵、錳和鉻，其他金屬如金、銀、銅等均為有色金屬。按照密度來分，可以分為輕金屬和重金屬，輕金屬有鋁、鎂等，重金屬有銅、汞等。

2.2 無機非金屬材料

無機非金屬材料包括陶瓷、氮化硅、玻璃、氮化硼、金剛石、石墨、碳化硅等，這類材料一般具有硬度高、抗壓強度高、耐腐蝕等特點，但是許多材料價格偏高，容易脆斷。這類材料使用相對較少，主要用于制造密封性原件、顯示屏等。

2.3 有機高分子材料

有機高分子材料主要是塑料、橡膠以及合成纖維。塑料自從發明以來，便得到廣泛的應用。它價格便宜、輕便、耐腐蝕，具有一定的強度，還可以與碳纖維等制成玻璃鋼等復合材料。在機械制造中，塑料應用相當廣泛，主要用于機械外殼、導線絕緣層等。

2.4 復合材料

復合材料是從20世紀末開始興起的一類新型材料，它是通過化學或物理的方法將兩種或兩種以上的材料進行復合，最終得到具有特定應用性能、滿足不同工藝要求的材料。目前應用得比較多的復合材料有碳纖維、玻璃鋼等，這些材料密度小、強度高、韌性好，應用前景廣闊。相信隨著科技的發展，這些材料還會得到更多的應用。

3 機械設計中材料選用的原則

3.1 注重材料的經濟性與適用性

所謂經濟性與適用性，就是選材要量體裁衣，根據機械產品的質量要求、用途以及機械制造過程中的鑄造工藝、裝配工藝和焊接工藝等環節的要求，選擇既能滿足要求，又價格低廉的材料。比如，在金屬材料中，鋼鐵的價格是很便宜的，因此在選材時，在滿足要求的前提下，可以盡可能地選擇鋼鐵。再比如，銅和鋁都是電的良導體，銅的電阻率比鋁更小，但是鋁的價格比銅便宜許多，當滿足需要時，盡量選用鋁而不是銅作導電材料。這樣就可以在保證產品質量的前提下實現最大的經濟效益。

3.2 在選材時考慮節能與環保因素

節能與環保是21世紀以來全球廣泛關注的話題，我黨提出了“綠色發展”“人與自然和諧相處”等議題。在機械設計中，尤其要重視節能與環保。盡量選擇可再生、易回收、環境友好的材料。在選材過程中，要優先選用可再生資源材料，優先選用環境友好材料，優先選用便于回收的材料。例如在選用塑料時，要避免選用不可降解的塑料，在可行的前提下優先選用可降解塑料。再比如，盡量減少金屬材料等不可再生資源的使用，嘗試用可再生資源代替。

4 機械設計中材料選用的幾點注意事項

機械設計中材料的選擇應用直接影響到機械產品的實用性能。在進行機械加工過程中，首要前提是滿足機械設計的要求，在此基礎上考慮資源供應的可靠性、材料的功能與特性等。基于此，下文針對不同材料的特點對其選擇及應用進行了分析。

4.1 材料的荷載能力要滿足要求

材料的荷載能力是材料性能的一個非常重要的方面，也是非常基礎的一個方面。如果荷載能力達不到要求，材料在加工過程中就有可能發生斷裂、失效等情況。即使在加工過程中沒有出現故障，在使用中也很容易出現故障，縮短機械設備的使用壽命。在根據荷載能力選材時，材料的荷載能力需留有一定的余量或者說安全系數，這個安全系數具體是多少，要根據使用場合來確定。越是重要的場合，越是對安全要求高的場合，安全系數越大。如果所選材料的荷載能力不清楚，則需要用實驗的方法進行測試。

4.2 盡量避免選用有毒有害的材料

有一些材料會對周圍環境造成危害或者危害人體健康，比如金屬鉛、鎳、汞，還有一些塑料等，這些都容易對環境造成污染。在機械設計中，要盡量不用或者少用這些材料。如果必須要選用這些材料時，要采取一定的措施，防止這些有害物質進入環境當中。

4.3 盡可能選擇便于回收或可再生的材料

到目前為止，構成機械產品的大部分材料都是金屬材料，其中最常見的就是鋼鐵。而金屬資源屬于不可再生資源，其在地球上的蘊藏量也是很有限的。因此對資源特別是金屬資源的回收利用就成了一個值得研究的課題。金屬材料的種類很多，比如鋼材的種類就有很多種，低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、各種合金鋼等。每一種金屬材料的回收難度是不同的，有的容易回收，而有的回收起來則比較困難。在機械設計中，在同等條件下，要盡可能選用回收方便的材料，讓資源得以回收

利用。

當然，也可以盡可能地選用可再生材料代替不可再生材料。比如在一些場合使用塑料代替金屬材料。

4.4 盡可能選用加工過程中資源消耗少、環境友好的材料

在材料選用過程中，不僅要考慮材料的荷載能力、材料本身的資源屬性、材料本身對環境的影響，還要考慮將材料制成產品的過程中，加工過程、加工工藝是否節能環保。例如，現在的許多金屬材料，在加工過程中需要進行熱處理，而熱處理過程消耗的能源等資源較多，對環境的污染也偏大，如果能夠選擇在冷和熱軋狀態下仍可保持較好性能的材料，就可以避免熱處理過程，從而節約資源，保護環境。如果不能找到理想的材料，加工過程中不得不使用熱處理，那也要盡量選用操作流程方便的材料，從而減少資源的消耗和對環境的

破壞。

5 結語

材料是機械制造的基石，材料的合理選用對于機械產品的質量、成本、壽命等都有巨大的影響。隨著科學技術的發展，新的材料在不斷被發現、發明，新材料在不斷推動人類社會的進步。作為一名機械制造領域的從業者，要密切關注材料科學的發展，敢于嘗試使用新的材料、新的技術，只有這樣才能推動機械制造行業不斷向前發展。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）