機械設計中的材料設計方法探討

宋佳珍

摘 要：機械設計現已成為市場經濟轉型發展中的重要設計類型，機械設計與工業設計兩者之間關系密切，隨著我國工業的迅猛發展以及高新材料的應用，材料設計的重要性日益凸顯。鑒于此，本文將探究機械設計中的材料設計方法，旨在為一線設計提供理論指導。

關鍵詞：機械設計；材料設計；方法

在全球制造業迅猛發展的環境中，我國機械行業新產品層出不窮。在市場導向原則的引領下，越來越多的設計人員開始關注機械性能、壽命、經濟等因素。隨著眾多新機械材料的引入，人們對于材料設計的關注力度空前高漲。

一、材料設計概述

與傳統機械性能設計不同，現代機械設計已經成為了一項綜合性的設計學科，其包含環境學、材料學以及美學等眾多因素。機械設計中的美學就是產品外觀設計，在上個世紀初期，人們對機械產品的美觀要求不高，對機械設計的美觀程度關注度不高；隨著時代的發展以及人們生活質量的提升，人們開始關注機械設計的美觀度，在購買機械產品時也將外觀因素納入其中，美學設計的重要性日益凸顯；環境學的引入是在全球資源短缺、環境污染加劇的背景下引入的，人們在購買機械產品時會考慮機械對環境的影響及對人類可持續發展的影響；隨著材料科學的發展，材料學被引入到機械設計中來，因材料性能不同，其對機械產品的性能也會產生較大影響。這些方法的引入一方面增加了機械設計的選擇性，一方面也增加了機械設計的難度。在上述引入中，材料學一直備受社會各界關注，尤其是在材料類型越來越多的今天，材料設計已經成為機械設計的重中之重。在具體機械設計過程中，設計人員必須按照自己的設計需求選擇性能相符的材料，才能達到預期設計效果。為了更好的滿足機械產品性能和外觀需求，設計人員必須熟悉機械設計中的材料性能并動態關注新材料的發展及應用，只有這樣才能科學合理的選擇材料。不同材料的性能直接影響著產品機械壽命，故而，設計人員在機械設計過程中，可結合客戶實際需求，進行材料壽命核對，在滿足產品預期要求的基礎上，節約材料使用。

二、機械設計中的材料設計方法

1.關注材料的使用性能

眾多機械設計專家均明確指出，在機械設計及應用過程中，設計人員必須關注材料的使用性能，一方面需要關注不同零件之間的合理搭配，一方面還需要關注零件材料的合理性。在機械運行過程中，材料會直接影響機械使用性能，材料的韌性、強度、硬度等特性均能反應機械使用中的材料特性。例如，在某個零件的設計過程中，若不合理的選擇了材料、材料應用不準確，則勢必無法滿足零件特性要求，進而導致機械使用過程中出現故障。對于客戶來說，即使出現很小的故障，也會影響到客戶機械使用的壽命及整體性能，從而使客戶滿意度降低。故而，要想做好材料設計工作，必須要關注材料使用性能，合理選擇材料使其更好的滿足機械運行中的各種化學、機械等性能要求。現代機械設計過程中，我們可以通過有限元軟件來分析材料的使用性能，綜合分析零件的受力狀況，或者在電腦中輸入工作條件，計算出材料內部的應力情況，進而指導我們發現危險點。然后按照傳統方式校對機械危險點，合理選擇其他可防范危險點的類型材料。

2.關注材料的工藝性能

機械材料的工藝性指的是材料自身能適應不同加工工藝要求的能力，尤其是對于加工工藝較特殊或較為復雜的零部件來說，必須選擇特殊的材料，才能滿足這種加工工藝的要求。故而，這就需要設計人員在機械設計過程中多關注材料工藝性能。現階段，人們對機械產品的要求趨向于美觀、小巧，并要求功能齊全、結構緊湊。現在的機械連接也摒棄了傳統不可拆連接、螺紋連接為主的局面，轉向依靠各個零件的結構型鎖進行連接，這些都加劇了材料設計的難度。在現在的材料市場當中，碳素鋼應用非常廣泛，其因成本價格、操作性能以及加工性能等優勢備受關注。但是，機械設計人員不難發現碳素鋼會存在韌性低、強度低等缺陷，中等形狀以上的零件無法熱處理，這就導致了碳素鋼在具體應用中受到限制的問題。大量實驗證實，含有某金屬的合金鋼其機械加工性能大大提升，與單純碳素鋼相比，其工藝上更能滿足機械加工需求。例如，若一零件對于表面硬度要求標準較高，如果使用碳素鋼并對碳素鋼進行提升表面硬度的處理，那么碳素鋼很容易出現裂紋等損壞的問題，而加入某項金屬元素，就能有效避免裂紋等問題，進而滿足了機械結構設計要求。這就需要設計人員不僅應關注機械設計本身，還需要全面了解材料工藝性能，合理選擇材料。

3.關注材料的經濟性能與環境性能

設計出的機械產品在滿足工藝性與使用性能的基礎上，還需要滿足經濟性能指標。不同的材料其自身價格也有所不同，機械設計人員所設計的產品應滿足經濟性要求，力求成本低、周期短，且使用效率高、燃料消耗少、使用范圍廣、維護費用低。這就要求設計人員選擇標準、通用的零部件來保證質量、簡化設計，并積極選擇改進性能、使用提高質量的新材料與新結構，及時引入先進的設計工藝與生產裝配工藝，減少零部件結構以及轉動鏈種類。

在現代設計過程中，我們還需要積極考慮材料的環境性能。在設計過程中盡可能避免選擇儲量較少的材料，例如，盡量找到鎢的替代品并進行性能優化，在滿足機械性能基礎上降低使用成本。另外，還需要降低同一機械產品中的材料種類，積極選擇可回收、可再生的資源，這樣有利于機械報廢后的資源再回收。

三、機械設計中的材料設計新方向

隨著社會的不斷進步，傳統材料設計存在的問題越來越凸顯，傳統材料設計方法急需優化，站在工業設計方法角度分析，筆者認為材料設計需要從系統功能與理論角度出發，充分考慮不同零部件的性能，還需要考慮不同零部件之間的功能影響。在分析材料功能時，需要考慮三方面內容：①技術功能需要被明確要求，用技術性能參數表示。②分析功能成本，從而找到功能好、成本低的設計方案。③定性與定量分析。在綜合分析產品定性與定量之后，找到優化的材料設計方案，為接下來的設計工作做好準備。在向現代材料設計轉變的過程中，我們需要做好如下幾點：①樹立全新的功能觀與系統觀。在機械設計過程中，沒有絕對的好壞材料，不能以某種性能定義某種材料的特性，只能選擇最合適的材料。選擇材料需要考慮功能與成本的平衡點。在設計過程中，不能僅考慮該種材料做某種零件是否合適，還需要看這種材料、這種零件在整個機械運行中是否合適。②建立基于互聯網平臺的材料設計庫。傳統查手冊設計法已經無法更好的滿足現代設計需求，在知識經濟中，應積極建立基于互聯網的數據庫，數據庫中不僅包含傳統常用材料，還需要包含用戶材料庫，也就是有關經營部門或生產廠家直接訪問該網站，及時納入國內外的最新材料數據信息。全面系統的數據庫一方面能滿足現代機械設計的高效要求，還可以與即時技術、CAD/CAE等技術相適應。

結語：

綜上所述，本文以材料設計概述為切入點，從關注材料的使用性能、工藝性能、經濟性能與環境性能等角度，詳細論述了機械設計中的材料設計方法，并探究了材料設計新方向，多方面入手，旨在為材料設計提供理論指導，設計出性能高、功能良的新產品。

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