淺析機械設計中材料的選擇應用

屈青珩 杜磊浩 梁盛濤

摘要：機械設計是機械制造行業發展的基礎，對于我國經濟的發展也有著重要的影響。而材料的選擇應用影響著機械設計的成功與否，也越來越被人們所關注。本文從機械設計的概述入手，簡要的介紹了機械設計中一些常用的材料類型，最后就機械設計中材料選擇應用所要遵循的原則進行了詳細的分析，期望能為日后研究機械設計中材料的選擇應用提供一定的幫助。

關鍵詞：機械設計；材料；選擇應用；原則；

引言

當前，社會經濟和科學技術的發展，極大的推動了我國工業化的發展，提升了社會的現代化水平。與此同時，社會和工業的發展對于機械設備性能的要求也越來越高。而在機械的加工設計中，材料的選擇應用影響著最終設計的機械設備的性能質量。故而，對機械設計中材料的選擇應用進行研究，對指引我國機械設計行業的發展和推動國民經濟的增長具有十分重要的意義。

一、機械設計

機械設計，是指根據工業生產的使用需求來構思分析相關機械設備的工作原理、運行方式、能量傳遞、設備結構、零件材料等，并將其作為機械設備的制造依據轉化為現實的制造過程，它是機械工程的重要組成部分，對機械設備的性能有著非常重要的影響。而機械設計的目標是在現實條件允許的基礎上，爭取做出最優化設計（最低的制造成本、最優的工作性能、最低的能源消耗、最少的環境污染）。

機械設計分為三類：新型設計、繼承設計、變形設計。其中新型設計是指通過應用成熟技術或者是新技術來設計新型機械；繼承設計是指在現有機械設備的基礎上，應用相關技術來對其進行設計改進，以降低其制造成本、優化性能、減少能耗；變形設計是指為了迎合市場的變化需要，而對現有的機械設備重新進行設計，將其改進成不同于標準化機械設備的變型產品。而在機械設計時要遵循技術性能、標準化、可靠性、安全性等準則。

二、機械設計中的常用材料

機械設計的工作人員一般將機械設計用到的材料分為金屬材料、非金屬材料（高分子材料、陶瓷材料）、復合型材料等。

金屬材料。金屬是一種有光澤、易導電、導熱、具有延展性的機械材料。由于其硬度高、穩定性好、種類多樣、工藝性能優良，性價比較高，在當前機械設計中的應用非常廣泛。目前機械設計中常用的金屬材料有黑色金屬、有色金屬、合金三種，黑色金屬如鑄鐵、鑄鋼、碳鋼等，其耐磨性好、具有良好的減震性能，在設計齒輪時應用較多。有色金屬的穩定性好、電磁性高，多用于汽車、飛機的設計。而由兩種或者是多種金屬進行相互合成得到的合金，其性能如韌性、強度、耐磨性等，比單一的金屬的性能更加優良，能滿足不同行業的應用需求，應用極其的廣泛，特別是在機械加工行業中非常受歡迎。

非金屬材料。機械設計中應用較多的非金屬材料有陶瓷類材料、高分子材料等。陶瓷類材料。陶瓷類材料的硬性強、性能穩定、比較耐腐蝕、耐磨，硬度很高但密度低，在刀具、有密封性要求的原件、耐熱元件的制造中應用較多，但陶瓷類材料在應用的過程中成本也比較高。高分子材料。機械設計中經常用到的高分子材料有塑料、橡膠、合成纖維等，這些材料的原料豐富，制各過程較為簡單，能耗小。其中，塑料的密度小、絕緣、耐腐蝕、可塑性強，在某些方面甚至可以代替金屬材料；橡膠的彈性好，能夠有效的吸收物體的沖擊能量，多用于減震器等彈性元件的制造；合成纖維的能耗低、提取方便，在機械設計中的應用也較為廣泛。且大部分的非金屬材料的電熱性都很優良，在絕緣體及有密封性要求的零件設計中應用較多。

復合型材料。由兩種或者是兩種以上材料融合形成的復合材料，耐磨性、減震性都比較強，很多性能更是可以彌補單一材料的不足，能夠滿足不同工藝的要求，目前其在航空航天、國防、軍事等領域都有應用。但當前復合型材料的價格較為昂貴，一些民用企業還不能承擔起大量使用的費用，這也在一定程度上影響了其廣泛的應用。

三、機械設計中材料選擇應用的原則

（1）選用載荷類型合適的材料

機械設備在進行運行時，時有出現一些機械設備的元件無法運行或者是在運行中不能充分的發揮作用，這主要是元件在進行設計時選擇材料的載荷性能不足所造成的。所以在進行設計時，要根據設計的具體需求對材料的載荷性能進行選擇，這樣才能充分的發揮出相關機械設備的最佳性能。

（2）選用經濟適用型的材料

在企業進行機械設備的設計時，一般都會進行設備的預算估價。所以工作人員在進行設計時，要充分的對各個元件進行分析，在材料的預算合理的前提下，選用性價比最高的材料，如一些能夠循環使用的材料，充分的發揮出材料的使用價值。

（2）選用實用型的材料

在進行機械設計時，要對機械設備不同環節的特性進行分析。比如一些環節需要硬度高的材料，而另一加工環節需要耐熱性較好的材料。這樣在材料的選擇時，才能根據不同的設計需求選擇材料，選擇的材料才會更加的實用，能最大限度的保障機械設備的正常運行。

（3）選用無害型的材料

隨著科學技術的發展，除了天然的材料之外，還出現了很多人工合成的機械材料。而當前有很多的材料都帶有毒性，如含有鉛、砷等元素，若在機械設備中進行使用，長期下來不僅會嚴重的損害工作人員的身體，還會污染周邊的土地和水源，破壞生態系統的平衡。所以，在進行機械設計時，設計人員要避免選用有毒的材料，這樣才能避免影響人們的身體健康和生態環境的平衡。

（4）選用環保節能型的材料

當前，經濟的快速發展已經嚴重的污染了自然環境，破壞了生態平衡，所以人們越來越注意環境的保護。故而設計人員在進行機械設計時，要盡量的選擇節能環保型的材料，最大程度的減少機械設備在運行時的能耗，降低污染。而且在進行選擇時，也要盡量的去選擇需要進行熱軋或是冷軋處理的材料而不是需要進行預熱處理的材料，這樣不僅可以減少對空氣的污染，還能充分的發揮出材料的使用性能，避免其受到破壞，提高材料的使用壽命。此外，在進行材料的選擇時，也要注意材料能否進行回收利用，爭取最大程度的減少資源的消耗。

（5）選用可持續發展型的材料

當前，國家正在大力的實施可持續發展戰略。所以在進行機械設計時，設計人員要結合社會經濟的可持續發展戰略，減少不可再生能源的使用，對于材料的潛力進行充分的挖掘，爭取最大程度的發揮出機械材料的最大性能，提高材料的使用效率。同時，在選擇是也要注意材料在使用時的能源消耗值，減少高能耗材料在機械設計中的使用。

四、結語

綜上所訴，機械材料的種類有金屬材料、非金屬材料（高分子材料、陶瓷材料）、復合型性材料等多種類型，機械材料的選擇應用對于機械設計行業發展有著重要的影響。所以在進行機械設計的材料選擇應用時，要注意選擇應用載荷類型合適、經濟適用、無害、實用、環保節能、可持續發展型的材料，這樣才能更好的促進機械設計行業的發展，同時推動我國國民經濟更快的發展。