機械設計中的材料選擇和應用思考

花韓

【摘 要】隨著我國社會經濟的飛速發展，對于機械方面的要求也越來越高。在機械設計中，材料的選用是機械設計的關鍵。這是因為合適的材料能提高機械運轉的效率和性能。基于此本文著重探討了機械設計的材料選擇和應用，希望對讀者提供有益參考。

【關鍵詞】機械設計；材料；機械生產

機械行業與人們的生活密不可分，兩者是互相促進與發展的關系，機械推動人們生活水平的提高，實現生活現代化；受助于現代化生活水平，科學技術也因此提高，從而促進機械行業的發展。對于機械設計領域來說，材料的優劣決定了機械的性能和運行效率，所以選擇合適的材料是決定機械水平的關鍵。

一、合適的材料對于機械設計的重要性

隨著我國工業技術水平的發展，機械行業也朝著巨型化、微型化的兩大趨勢在發展?；谶@兩大極限的發展方向，材料在機械水平提升中，起著重要的決定性作用，這是因為機械巨大化和微型化時出現了大量的問題，這些問題嚴重限制了機械性能和效率的發揮。一些大型機械達不到相應的強度，那么會限制其使用的范圍；一些微型機械精細化達不到一定標準，那么機械化則失去意義；因而要想機械能夠實現一定的強度或精細化的標準，則要確保機械設計中的材料是否能夠承載其設計的目標。

此外，隨著人們對環境保護越來越重視，一些機械材料也盡可能的要具有環保的特性，防止對環境造成重大危害，這對于機械設計來說提出了更大的要求。對機械要求減少對環境和周邊人員的影響，實現機械設備的可回收性等環保要求。

機械設計中，選用合適的材料不僅能夠提升機械的性能，還能讓機械更經濟環保，促進機械設計行業的長遠發展。

二、機械設計材料的選擇

（一）選用低污染、低能耗材料

在材料選擇上，要遵循生產過程低污染、加工過程低污染以及應用過程低污染的原則。只有這樣才能確保在生產、加工、使用三個領域做到材料選擇的環保性，鼓勵其材料行業的經濟環保健康發展。

設計人員在材料選用上，還需要注意以下兩個方面：1、選擇未經過熱處理的材料；2、如果一定要選擇經過熱處理的材料，那么就選擇熱處理程序相對較少的材料，確保材料對能源消耗和污染的最小化。

（二）依據使用原則選擇材料

機械設計涉及到不同的零件，而每個零件都需要符合特定需求，這要求設計人員在設計時要充分考慮材料的實用性，實現機械的實用需求最大化。部分機械對強度有較大要求，那么在零件選用上就避免華而不實的零件。機械對不同零件的需求不同，設計人員要考慮其機械設計的實際使用需求。

（三）材料選用考慮載荷

對機械設計中，需要對機械的載荷進行有效計算。計算的目的是因為要選擇合適承載能力的材料進行裝配。如果載荷能力過高的材料裝配到機械上，則相應的機械成本就為之升高，且因為機械所涉及的使用需求并不需要如此高的承載能力，因而浪費了其高載荷材料的性能；如果載荷能力低于設計需求的材料裝配到機械上，那么則因為達不到機械設備的強度需求，影響機械的使用壽命，甚至會出現嚴重的安全事故。

所以，在機械設計時進行載荷計算，就是為了評估其材料選擇的適配性，基于成本、環保的特點來選擇材料，實現經濟性和使用性的統一。

（四）選用低毒性材料

一些機械材料在使用過程中會產生對人體有害的物質，嚴重影響機械操作者的身體健康，因此在設計過程中，要極力避免此類材料的選用。

例如，含鎳的物質在工業領域中屬于毒金屬材料，設計過程中要避免選用此類材料在機械的應用，如果涉及環節必須使用此類有毒材料，那么一定要在人體接觸區域進行無害化處理，最大程度的降低有毒材料對人體的傷害。

三、各種材料在機械設計上的應用

（一）陶瓷材料的應用

機械設計中可選用新興材料，例如陶瓷材料就是較好的選擇，首先它的硬度很高，常應用于制作密封零件；陶瓷還具有耐磨、耐腐蝕的特點，適合應用于化學儀器的制造；同時陶瓷材料還具有不俗的電特性，通常用于制作電容器，在鐵電陶瓷的作用下其電容器的形狀會有所變化，能夠把電能轉換為機械能，基于陶瓷材料的這種特點，聲吶、擴聲機利用其性能實現功能的最大化。

除了常規陶瓷材料，新型納米陶瓷的研發，讓陶瓷材料的應用范圍越來越廣泛，在航空航天和衛星通訊都需要納米陶瓷材料[1]。

（二）復合材料的應用

利用物理或化學的方法，把兩種或兩種以上具有不同性質的材料，進行一定的加工和處理，宏觀上組成了具有新性能的新型材料。符合材料具有揚長避短的特點，由于原組成材料。符合材料能夠綜合各種材料的優缺點，組合搭配，實現性能需求個性化的定制，滿足機械領域的不同設計需求。

符合材料主要分為金屬材料、非金屬材料兩大類：金屬基體常用的金屬元素有金、銀、銅、鐵以及各類合金；非金屬基體主要由樹脂、橡膠、石墨等材料。

復合材料相對于原組成材料，它具有強度更高、穩定性強、隔音吸聲效果棒、防電、防熱等優點，對于像航空航天、醫療器材等高精尖領域，對于此類材料有較高的需求。

（三）高分子材料的應用

以化合物為基體，通過使用特定的添加劑添加進基體中，這種物質被稱之為高分子材料。相對于復合材料、陶瓷材料等制作工藝要求高的材料來說，高分子材料更容易獲取，例如塑料、合成纖維就是生活中常見的高分子材料。高分子具有可再生與可循環的特性，符合機械設計材料的環保要求；同時高分子材料還可替代部分金屬材料，個別材料的特性比金屬材料更具優勢，例如聚甲醛材料擁有著更高的耐磨性，常用于齒輪、軸承等設備的生產。在汽車制造業，高分子材料也被廣泛采用，它能減少汽車重量，減少對能源的消耗。

（四）金屬材料的應用

金屬材料在機械設計中占據著相當大的作用，也是使用時間最長、頻率最高的材料，可以說機械是由金屬所組成。在機械領域里，以金屬為主或金屬元素，都被稱之為金屬材料，最常應用的金屬元素有鐵、錫、銅等。作為自然元素，金屬材料獲取成本相對于復合材料、高分子材料來說，價格更為低廉、技術水平要求較低。同時金屬材料具有一定的強度和韌性，能夠滿足一般機械生產對材料的需求。

除了單一金屬材料之外，對于金屬材料的研發也隨著技術的不斷發展，而出現一大批新型的合金材料、特種金屬材料。合金材料拓展了金屬在機械制造的使用范圍，讓制造的金屬具備更高的強度和性能。合金材料和特種金屬材料在高科技領域也越來越被廣泛使用，其研發前景廣闊，是材料學的重要研究方向[2]。

（五）合金鋼與碳素鋼的應用

碳素鋼作為當今機械設計使用最廣泛的一種材料，有著加工工藝難度低、價格低的優勢，但是它的韌性和強度相對較差，不適合用于制作中等形狀以上零件。

為了解決碳素鋼的缺點，為其添加了一定的合金元素，研發出了合金鋼。合金鋼相較于碳素鋼提高了韌性和強度，同時淬透性、耐磨性也增強了。通常在防止零件產生淬火裂紋、零件變形或者在荷載壓力大的情況下，才會使用合金鋼。

四、結論

綜合上述，在機械設計的材料選擇上要根據機械的使用需求，依據機械設計的需求，選擇最符合需求的材料，結合經濟性和環保性的要求，使得有限的材料資源能夠充分利用。

【參考文獻】

[1]池占山.機械設計中的材料選擇及應用探討[J].中國高新技術企業，2015（21）：17-18.

[2]李冠效，雷長貴.機械設計中的材料的選擇和應用解析[J].硅谷，2014，7（02）：86-87.