淺談機械設計中的材料選擇及應用

馬海明　趙宏家　高靜

摘要：本文首先分析了機械設計材料選擇的重要性，其次介紹了機械設計中材料選擇的原則，再次從機械設計材料選擇與實際應用等方面進行全面研究，最后達到推動機械設計科學選擇機械材料、落實生態節能設計理念的目的，為機械制造行業發展創造更多優勢。

關鍵詞：機械設計;金屬材料;復合型材料;

1 機械設計材料選擇及應用原則

1.1 必須滿足機械設計需求

機械材料的選擇主要目的是滿足機械設計要求，將機械設計理念付諸于實際制造，所以機械設計中必須嚴格遵循滿足機械設計需求的原則。機械設計期間根據機械設計基本內容，選擇與之相匹配的材料，重視材料性能、使用途徑。不同的機械設計材料，在機械設計中承擔著不同的使用功能[2] 。機械材料種類繁多，材料與材料之間存在著本質性的功能差別，在具體選擇中，必須結合機械設計需求，分功能地選擇機械材料。

1.2 注重荷載水平高的材料的選擇

機械設計中材料的選擇，還要遵循荷載水平高的材料選擇原則。機械設備一般情況下都是長時間工作，設備的組成構件在長時間運轉下會出現磨損或者功能減弱等狀況，這種現象的出現主要原因是機械設計中，選擇的機械材料荷載承受能力低，無法滿足長時間工作需求，使用壽命縮短、功能喪失[3] 。面對這種情況，必須從荷載水平角度出發，在機械設計中，重視評估機械材料的荷載承受力，盡量選擇荷載水平高的材料。當然荷載水平評定需要根據機械行業限定標準為主，應用頻率高的機械材料相對來講荷載水平高，符合機械設計選擇要求。常見的荷載水平高的機械材料評定，包括低碳鋼滲碳處理工藝。根據此工藝對機械材料（鋼材質量）進行荷載水平測試，為機械設計選擇適合的鋼材。

1.3 環保、無毒無害機械材料原則

機械設計中環保理念的指導，要求選擇機械材料期間必須遵循環保、無毒無害機械材料原則。機械材料作為機械制造的關鍵環節，機械設計期間需要從前期階段提高對材料選擇的重視，在諸多機械材料中制定環保選擇標準。機械設計中涉及到一些放射性元素設計，尤其是工業生產加工中，對于這種情況機械設計材料選擇必須提前做好環保處理，以無污染處理的方式，通過節能、環保、無毒無害材料的應用，減少機械設計制造對生態環境造成的影響，也可保證機械制造中員工的安全。

1.4 可循環再利用優先選擇原則

機械材料選擇過程中，還要遵循可循環再利用材料優先選擇原則。機械設計中材料類型多樣化，不同的機械設計功能需要不同的材料。那么在材料選擇期間，首要材料選擇多為金屬材質，但是在實際生產加工中，因為工藝需求差異，部分機械設計會提出特殊材料要求。對于這種情況就必須以可循環再利用材料作為首選，根據材料功能對其采取綜合性處理[4] 。機械材料組成的零構件擁有固定的使用生命周期，使用生命周期結束將材料及時回收處理，重新投入機械設計中，以此來提高機械設計與生產制造的資源使用率，同時發揮出材料的最大價值，在節省材料資源基礎上，保護機械制造生態環境。

1.5 低能耗、輕污染材料選擇原則

環保是當前機械設計重要理念，機械材料環保設計中材料選擇首要以低能耗、輕污染類型為主，低能耗材料選擇是機械設計以及生產制造生命周期規劃的關鍵內容，同時也是核心所在。低能耗、輕污染與回收再利用不同，很多機械材料不能回收利用，所以必須從其適用性、經濟性、低能耗方面著手，盡可能將機械材料生產加工難度降低，縮短材料加工時間，減少材料加工成本。以低能耗、輕污染材料選擇原則為指引，實現機械設計的科學規劃。

2機械設計材料的具體選擇

2.1 荷載性材料選擇

荷載性材料選擇中，結合機械設計具體內容，分析荷載性材料對于機械產品制造的影響、元件工作作用等，如果荷載性影響到正常工作，則在選擇期間需要做好零件失效預防，制定適當的解決方案，選擇適合的機械零件，保證材料選擇科學性。機械設計中零部件出現失效，主要因為外荷載與零部件之間存在沖突。荷載性材料選擇中，必須掌握機械設計中關于荷載性能方面的要求，準確選擇適合的材料[5] 。具體荷載性材料選擇，可以從兩方面著手。首先觀察材料元件是否會在荷載變化情況下出現磨損或者扭轉等情況。機械設計中材料規劃極為縝密，如果機械設備所有應力均集中在機械材料的中心或者表面，那么零部件主要控制源為材料表面。這種情況下，就需要從機械材料的碳鋼類型加以選擇，以此為主要機械部件，幫助機械產品承擔荷載力。機械設計中關于材料選擇，必須掌握零部件的加工制作，結合荷載性為基礎，選擇適當的機械材料，從而保證機械設計與零部件加工質量。其次是零部件壓縮性方面的選擇，機械材料在荷載性應用下都具有很強的承受能力，尤其是壓縮性方面。機械設計中材料的選擇，必須確保拉升力分布均勻。

2.2 合金鋼、碳素鋼材料選擇

機械設計中合金鋼、碳素鋼是材料選擇中的常見類型。機械設計期間如果涉及到生產原材料，多數情況下選擇碳素鋼。碳素鋼本身價格低廉，工藝性理想，非特殊情況下生產原材料以碳素鋼為主。當然碳素鋼在很多方面存在不足，首先是韌性差，不能滿足部分機械設計對韌性的要求，其次是強度低。所以碳素鋼材料如果在中等形狀制作中應用，不能完全加工淬透。這種情況下選擇合金鋼或者在碳素鋼中加入合金成分，改善其韌性、強度方面的不足，增加機械材料的耐磨性，延長其使用壽命，滿足機械設計要求，保證機械制造質量。

2.3 可回收機械材料選擇

遵循低能耗、回收再利用等原則，選擇可回收機械材料。機械設計中涉及到大量金屬材料，最常見的鋼材在實際選擇上種類達到上百種。這種情況下，要針對機械設計具體要求，使用不同鋼材堆砌完成制作。但是實際卻無法準確區分可回收鋼材、不可回收鋼材?？苫厥珍摬膮^分，需要從循環性角度出發，如果機械設計中涉及到某一種零部件，其主要材料為合金，那么在選擇材料中就需要從可回收合金角度出發。這樣一來，既可以節省材料成本，又能夠解決資源浪費的問題。

3 機械設計中材料的科學應用

機械設計中材料的具體應用主要從高分子材料、金屬材料、復合型材料三方面展開研究。

3.1 高分子材料應用

高分子材料在機械設計中主要為塑料、合成類纖維等材料。這些材料相較于其他金屬材料，適用范圍廣闊，并且材料制作便捷。高分子材料在實際應用中，利用天然氣的方式加以提取并且投入使用，降低高分子材料能耗，加上高分子材料密度小，所以很大程度上提升材料延展性與適用性。

3.2 金屬材料應用

金屬材料應用是機械設計與制造的主要材料類型。機械產品中大部分元件均為金屬材料類型。實際應用中鋼鐵材料為主，結合金屬材料本身強度、韌性、耐磨性等特點，選擇價格低廉、質量達標的材料。當然還可以從合金方面進行功能選擇，替代部分鋼鐵材料，提高其耐腐性。機械使用中必須注意其柔韌度，發揮金屬材料最大價值。

3.3 復合型材料應用

復合型材料應用，復合型材料主要包括兩種（以上）材料組成，復合型材料通過化學制作方式有效組合。機械設計中復合型材料應用，是不同材料的功能與組成元素，通過有效的化學處理將其進行升級，并且應用到機械設計中，保證機械設計的功能性、復合材料的實用性。

4結束語

綜上所述，機械設計是機械制造的基本前提，材料的選擇與應用是落實機械設計、完成機械制造的保障。

參考文獻：

[1] 孫恒波，劉長亮.化工設備設計中材料的選擇和有效運用[J].化工設計通訊，2018，45（06）：131+134.

[2] 劉璐.機械設計中材料的選擇和應用狀況分析[J].科技經濟導刊，2018，27（11）：79.

[3] 王景秋.機械設計中材料的選擇和應用分析[J].山東工業技術，2018（10）：70.

[4] 高鵬，韓偉.金屬材料在機械設計中的選擇與應用分析[J].世界有色金屬，2018（21）：29-30.

[5] 黃信軍.機械設計中材料的選擇和應用分析[J].世界有色金屬，2018（18）：244+246.

（作者單位：1大連安達有色金屬鑄造有限公司;2大連安達船用螺旋槳有限公司;3大連安達有色金屬鑄造有限公司）