金屬材料在機械設計中的選擇與應用初探

趙云龍

在當今時代，我國的經濟呈現出高速發展之勢，機械工業的設計領域日漸強大與先進。機械進步有一個非常重要的起點，那就是材料，尤其是金屬材料，金屬材料在機械設計中的地位無與倫比。因此，在科技飛速發展的今天，科技的運用必須跟上科技發展的步伐，而充分利用材料，使材料在機械設計中發揮出超過之前的功能，使設計出的機械系統能夠完成比之前更多的工作，這就是在科技運用方向上的一種進步。

金屬材料;機械;設計;優化探究;應用

隨著時代的發展，工業技術產業日漸成熟，目前很多工業企業與現代化技術融合形成了具有未來發展特點的現代化工業。在現代化工業的發展中，隨著人們生活水平的提高，與之而來的是工業用原材料的稀缺，并且隨著時間的推移，兩者的矛盾逐漸突出。據不完全統計，目前為止世界上用于工業的材料已經達到了四十多萬種，并且每年還在遞增中。相信不久的未來這些材料會變得異常珍貴，所以，各行各業都在爭取用有效的原材料資源來提升自己的發展空間，機械工業也不例外。在這種情況下，機械工程的發展就變得急迫起來，所以，在機械工業中如何對有限的金屬原材料進行完美的應用對機械工業的發展具有重要的意義。由于金屬材料種類多樣，它們的特性也有很大的不同，只有掌握好這些原材料的分類、性能以及相關應用領域等內容，才能在機械工業設計中發揮最大的作用。

黑色金屬材料。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，也就是鋼和鑄鐵材料。目前鋼和鑄鐵的應用最廣，產量和用量也最大。鋼和鑄鐵都是以鐵和碳兩種元素為主所組成的鐵碳合金。（2）有色金屬材料。簡單來說，有色金屬材料是除鋼鐵以外的金屬材料，統稱為有金色屬。有色金屬材料大致分為銅、銅合金、鋁、鋁合金以及軸承合金等等[2]。目前有色金屬的產量和用量雖不及鋼鐵材料多，但由于它們與黑色金屬材料相比具有某些獨特的性能和優點，現代生產中應用日益增多。常用有色金屬材料的牌號及用途。（3）非金屬材料。非金屬材料的種類繁多，在工程材料中常用的有工程塑料、橡膠、陶瓷、復合材料和新型工程材料等。其中，新型工程材料有納米材料、粉末冶金、貯氫合金、形狀記憶合金、非晶態合金超導材料等，而納米材料和粉末冶金在工程上應用日益廣泛。

優質機械材料的使用能夠促進我國機械制造領域進一步的發展，在機械使用壽命以及性能方面有著極為關鍵且不可忽視的作用。想要使產品最終性能與質量得到顯著提升就一定要挑選出最為合適的材料，只用借助這種方法，才能夠使企業在機械設計領域激烈的競爭當中存活下來，并繼續發展下去。眾所周知，材料的選擇對產品性能以及質量緊密相關，因此材料的選擇便是機械制造整個過程中最為關鍵與重要的一個環節。除此之外，是否合理的選擇機械材料，嚴重影響著產品最后實際功能的發揮。在當前這一階段，各國都在倡導綠色環保，為了使我國資源得到良好保護，并提高資源的使用效率，一定要在機械制造的過程當中遵循可持續發展原則，對材料質量和性價比進行著重考量，從而保證我國的機械設計制造行業能夠取得穩步、健康成長。同時，由于當今經濟發展速度較快，社會各個行業對于機械產品需求愈發擴大，所以一定要將產品性能與質量作為根本基礎，不斷推進機械設計制造行業的創新發展。

1.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。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。

2.對于可回收、綠色環保型材料的應用

在機械的設計與加工過程中，金屬系材料占據著極大的一部分，但是金屬材料屬于不能再生型的能源，而且在廢棄之后很難進行二次的回收與利用，不僅會造成資源方面的浪費，還有可能會對環境產生一定污染。這就使得機械設計加工工作違背了我國可持續綠色健康發展的原則。所以，想要使資源的應用效率得到最大程度提升，相關設計人員一定要格外關注材料的選擇，將可回收、無污染資源作為選用的首要目標，從而防止出現資源浪費以及環境污染等問題，除此之外，使用可回收材料還可以確保行業在未來實現長久、健康的發展。

3.金屬材料的復雜結構程度及加工性能

不同材料之間，因為存在不同的物理參數，所以有不同的物理性能，之前所考慮的金屬材料選擇出發點都只是已經設計好模型之后，什么樣的金屬材料才能滿足當前機械模型的工作需求，但目前所面對的情況為，有了金屬原材料，需要開始加工流程，但因為不同的物理性能，加工難度存在明顯區別，加工難度不僅是體現在加工材料的物理性能差異上，還體現在加工零件模型的操作困難上，同一種金屬材料，加工不同的金屬零部件，加工難度完全不同，而同一的金屬零件加工，也會因為不同的金屬材料而導致加工難度存在差異，加工之后，金屬材料的物理特性可能因為加工過程的切割高溫等因素而產生變化，不同材料變化的程度不同，因此，我們需要確保加工之后金屬材料的物理性能依舊符合之前的需求，因此去掉物理數據變化明顯的那一組金屬材料。

4.考慮工藝性能

工藝性能好是指所選材料能用最簡易的方法制造出零件。某些情況下工藝性能就可能成為選材考慮的主要根據。例如：鑄鐵不能鍛打;塑性小的材料不宜沖壓;外形復雜的零件往往只能鑄造，沖壓或模鍛方式一般是用在外形簡單的大批的小零件生產當中。高分子復合金屬材料的制作工藝是較為簡單的，切削加工過程以及性能良好，但是該方法有個缺點就是導熱性能較差，在切削加工過程當中不易散熱，會導致工件的溫度急劇升高，從而導致熱固性樹脂變焦以及熱塑性材料變軟的情況發生。陶瓷材料在成形之后，幾乎不能進行其他方面的加工，但其可以用在碳化硅與金剛石砂輪磨削工藝。金屬零件材料的加工工藝是鑄件的工藝設計，在進行工藝設計時，要選擇塑性比較好的合金材料進行加工，最好是選用共晶成分的合金材料;若進行鍛件設計，就要選用相對塑性較好的合金材料;對焊接結構件的設計要選用低碳鋼或者是合金鋼材料，銅合金與鋁合金的焊接效果相對較差一些。金屬零件材料切削加工性能的好壞，會直接影響到產品的加工質量、生產成本以及生產效率等，所對鋼鐵材料進行化學分析，并通過改性處理來改善金相組織和力學性能，使其硬度控制在l70HBS～230HBS之間，以達到改善切削加工性的目的。

眾所周知，我國的經濟絕大部分來源于機械的加工制造領域，隨著科學技術的發展，機械設計對機械材料的選擇與應用越來越嚴格，所以在當今信息技術時代，建議引入人工智能（AI）、專家系統等先進信息技術，輔助機械設計人員在機械設計、材料選擇等方面逐步實現智能化。

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[1]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.

[2]李春艷.金屬材料在機械設計中的選擇與應用[J].中國金屬通報，2016（10）：48-49.