機械工程材料優選方法的研究現狀

趙利勇

摘要： 隨著科學技術的不斷進步，對于工程材料的選用方面出現了許多的新方法，通過實踐應用，闡述選擇工程材料的時候需要注意的情況，同時根據不同的選材方法與特點開展綜合評估與優化措施，進而完善工程材料的優選方法。通過不斷的實踐，總結相關的經驗，對工程材料以后優選方法的研究方向提供可靠的依據。

關鍵詞： 機械工程材料；優選方法；研究方向

材料的選擇工作是機械工程設計中非常重要的環節，是完成設計的首要工序。機械工程材料的選擇工作是非常復雜而又繁瑣的，不僅需要一定的實踐經驗，還要具備相關的專業知識，充分考慮選材中的每一個環節，盡可能的做到最好，同時對選材方法進行評價與優化，實現工程材料應有的使用價值。

1 機械工程材料的發展及分類

機械材料在工業革命以前，大都是由木工手工制成金屬材料只是用于制造鐘表、儀器和木結構的機械上的小零件。隨著科技的進步與發展，所用的金屬材料由銅、鐵發展為以鋼為主，機械加工方面迅速發展，機械工程材料的涉及面非常廣，按屬性可分為金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬中的有色金屬具有良好的導電、導熱性，而且化學穩定性較高，在建筑施工中使用較為廣泛。非金屬材料又可以分為兩種：有機高分子材料和無機非金屬材料。這里除了傳統的玻璃、陶瓷和耐火材料外，還有碳化硅等新型材料。此外較為重要的還有合成樹脂，再就是由兩種或兩種不同材料組合而成的復合材料。這種復合材料是以一種材料為本體，另外一種或多種材料組合而成的材料，由于是多種材料的結合體所以它在性能上互相協調，取長補短，這種復合材料在試驗中證明具有明顯的綜合性能，所以這種材料也成為一類新型的工程材料機械工程材料按用途分類比較廣泛，如耐熱材料、耐腐蝕材料、耐磨材料等。耐腐蝕材料為開發和利用新能源開辟了途徑，目前現代發展起來的新型材料主要有非晶質材料、單晶體材料、新型纖維材料和新合金材料等這些新型材料的出現對于研制機械產品具有重要的意義。如能夠減輕自重的碳纖維，它比玻璃纖維彈性高、強度也比玻璃纖維強，能夠用于制造飛機或汽車等構件。而且碳纖維還可以節約能源。另外也可以結合材料的特點來分類，如超塑性材料、鑄造合金材料等。還有一種可以制造各種精密機械零件的粉末冶金材料。隨著科技的不斷創新發展，材料技術的不斷提高，材料的內部結構性能被不斷挖掘、研究。在認識各種材料的基本恃性基礎上，不斷地探索出新型材料的途徑

2 機械材料優選方法的研究

2.1 價值工程優選法

價值工程法指的就是在提高工程、產品、系統價值的同時，減少工程成本的有效分析法。機械工程材料選擇的原則主要包括：成本原則、工藝性能原則、使用性能原則，并且隨著社會經濟的不斷發展與進步，逐漸出現了兩個新的原則：環保原則與可靠性原則。在目前機械產品的設計過程中，相關的設計人員一定要充分考慮以上原則，使生產出來的產品在達到使用要求的情況之下，盡可能的降低制造成本，以及減少能源、資源的浪費。在選材的時候，充分、合理的運用價值工程的原理，在系統的角度上分析現代工程價值選材的要素以及過程，闡述選材對于產品功能的實現以及延長使用壽命的影響程度，然后在機械工程中實際應用工程價值選材的方法。根據相關實踐經驗表明，使用工程價值法進行選材，可以加強選材的客觀科學性，進一步提高產品的使用價值。

2.2 工程定量優選法

對于選材的定量評價通常都是利用系統工程的觀點，將出現的局部問題放到整個系統中進行相關的處理，充分考慮材料內部以及互相之間的聯系，進而加以量化，根據相關的評價標準優化選材方法。選材定量評價法，首先關注的就是材料自身的關鍵性質，之后評價相關的次要性質，除此之外，也可以根據相關程序對材料的所有性質開展綜合的評價。在工程材料選擇中，比較常用的工程定量法主要有：成本分析法、目標函數法、星形輪廓模型法等。成本分析法指的就是計算出成本與使用性能之間的比值，也就是性價比，使用這種方法可以對選材的成本進行全面、定量的分析。在所有優化方法中，目標函數法是一種相對比較直接的選材方法，利用具體的目標函數式表達相關的材料性質，進而通過相應的計算，實現材料的優化選擇。所以，在運用此種方法的時候，首先就要確定適合的目標函數。星形輪廓模型法是一種間接、精確的選擇方法，在塑料行業中得到了廣泛的應用。

2.3 計算機輔助系統的優選法

計算機輔助系統主要包括KBS系統、CES系統等。此種方法就是利用計算機技術將所有材料進行排列，制作成相應的表格，之后根據實際情況的需要，進行相應材料的選擇，同時采取目標優化法解決選材中材料因素互相矛盾的情況。對于一些要求精細加工或者粗糙加工選材的時候，可以利用系統的自動選擇工具進行相應的選材。除此之外，對于圓形材料的選擇可以設計一套專門的計算機綜合選擇系統，該系統主要應用在加工研磨中，對于材料進行尺寸切削以及路徑切割，同時系統中還有一個簡單的技術模數，是評價切割條件時使用的，并且在工具選擇以及對評估車削、研磨、鉆孔等加工使用壽命中使用。計算機輔助系統的優選法主要就是結合了先進的科學技術，有效的規劃了材料選擇的方式，并且增加了一些人工智能的技術。

2.4 層次分析優選法

機械工程材料選擇所要涉及的方面非常多，比如：經濟、生態、社會、環境、技術等，是一個需要考慮多方面因素的問題。并且針對工程材料優選這個多因素問題的時候，可以在制定最佳方案的前提之下，可以將其分成方案層以及指標層等多個層次。在進行工程材料選擇的時候，首先就要分析機械工程材料選擇的主要影響因素以及互相之間的構成關系，根據現有相關的選材經驗，利用層次分析法對機械工程材料的優選過程開展有效的評價，同時全面闡述定性化以及定量化的層次結構、評價模式以及總體評價方法。其開展評價的步驟主要是構建一個工程材料優選的層次分析模型以及相應的判斷矩陣，之后開展層次排序，同時對判斷矩陣開展一致性的測驗，最后在定性、定量的轉換中完成工程材料的評價。此項評價體系可以全面的反映工程材料選購的影響因素，非常符合相應工程的實際情況。運用層次分析法可以將抽象的思維進行定量化轉換，完全反映工程材料選擇的真實信息，有助于進行選擇方案的優化以及做出正確的決定。

3 工程材料選擇研究工作的展望

隨著計算機技術的發展以及將其他學科的成就引入材料領域，如數理統計、價值分析、可靠性分析等，人們已開發出一些帶有規律性的選材方法。在機械工程設計過程中，材料的選擇通常是在設計方案確定以后即零件結構確定后進行的。今后機械設計的一個方向是在設計初期同時考慮到結構的設計和材料的選擇，將結構設計和材料選擇進行綜合考慮。要真正實現科學而合理的選材，應該開發更新的更為科學的工程材料選擇方法和工具，從定性階段過渡到定量階段，并對不同選材方案進行綜合評價，從中選出能滿足使用要求、適合加工制造和成本低的方案。

4 結束語

總而言之，在進行工程材料選擇的時候，一定要綜合考慮多方面的因素，盡可能的運用一些先進的科學技術手段與工具，開展定性、定量的分析，針對不同的選材方案開展綜合評價工作，進而從中選出更加滿足實際需求、成本比較低以及適合加工制造的方案。因此，一定要加強對機械工程材料優選方法的研究，提出更多的方法與方向，為工程材料科學、合理使用提供可靠的依據。

參考文獻

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