金屬材料在機械設計中的選擇與應用初探

黃東陽

摘 ?要：在科技高度發(fā)達的今天，想要在科技運用方面再進一步，毫無疑問，傳統(tǒng)機械需要得到一次徹底的更新?lián)Q代，例如聯(lián)接結構的創(chuàng)新，機體結構的改變，驅動方式的選擇優(yōu)化等等。但毫無疑問的是，上述所有的一切都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(fā)展的今天，科技的運用必須跟上科技發(fā)展的步伐，而充分利用材料，使材料在機械設計中發(fā)揮出超過之前的功能，使設計出的機械系統(tǒng)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。

關鍵詞：金屬材料;機械;設計;優(yōu)化探究;應用

中圖分類號：TH142 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）35-0083-02

Abstract： Today， with the high development of science and technology， if we want to go further in the application of science and technology， there is no doubt that traditional machinery needs to be thoroughly updated， such as the innovation of the connection structure and the change of the structure of the body. The selection and optimization of driving mode and so on. But there is no doubt that all of the above has a very important starting point， that is， materials， especially metal materials， metal materials in the mechanical design of the unparalleled position. Therefore， with the rapid development of science and technology， the application of science and technology must keep up with the pace of the development of science and technology， and make full use of materials to make materials play more functions than before in mechanical design， so that the designed mechanical system can do more work than before. This is progress in the direction of the application of science and technology.

Keywords： metal materials; machinery; design; optimization inquiry; application

1 概述

隨著時代的發(fā)展，工業(yè)技術產(chǎn)業(yè)日漸成熟，目前很多工業(yè)企業(yè)與現(xiàn)代化技術融合形成了具有未來發(fā)展特點的現(xiàn)代化工業(yè)。在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中，隨著人們生活水平的提高，與之而來的是工業(yè)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(jù)不完全統(tǒng)計，目前為止世界上用于工業(yè)的材料已經(jīng)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(yè)都在爭取用有效的原材料資源來提升自己的發(fā)展空間，機械工業(yè)也不例外。在這種情況下，機械工程的發(fā)展就變得急迫起來，所以，在機械工業(yè)中如何對有限的金屬原材料進行完美的應用對機械工業(yè)的發(fā)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(nèi)容，才能在機械工業(yè)設計中發(fā)揮最大的作用。

2 金屬材料在機械設計中的選擇原則

2.1 需要考慮零件的工作環(huán)境

在如何選擇金屬材料加工某一確定零件，必然需要對該零件的工作環(huán)境進行考慮，例如常見的壓力變化，溫度變化，電導率變化，體積變化等等。壓力變化可能引起零件表面的受力結構受到破壞，溫度變化可能對溫度敏感的材料產(chǎn)生永久損害。以及在精密儀器中十分重要的楊氏模量系數(shù)，應力與應變的關系系數(shù)，這能反映該材料在面對外界壓力時的應變情況，選擇一個大的楊氏模量系數(shù)，可作為承載應力大的材料。又如考慮到機械的實用性，必然不可能是少量次數(shù)的使用物品，那這就牽涉到長時間的保存，而金屬材料的保存，面臨的最大問題就是耐腐蝕問題，一種良好的耐腐蝕材料，能長時間的在潮濕環(huán)境中保存，然而實用性不只是長時間保存的問題，還有高頻的使用，高次數(shù)的使用必然導致出現(xiàn)新的問題，就是磨蝕，機械中的傳動全靠物理接觸，而每一次物理接觸，都是一次極其微小的磨損，在次數(shù)極高的運作下，每次微小的磨損疊加后引起的是顯著的金屬結構的變形與破壞，因此，耐磨性必然也是選擇的要點之一。其中任意一項因素的改變都將對該零件產(chǎn)生一定程度上的影響，而這種影響又會逐步傳播到下一步的工作進程中，從而導致整個機械模型受到影響，進而影響到工藝流程等，可見，在考慮機械設計的初步，就是考慮原材料的選取，而如何進行選取原材料，又需要從制作完成后的零件所處的工作環(huán)境，以及原材料本身的物理系數(shù)等等進行綜合考慮，得出一個最佳設計方案。

2.2 金屬材料的載荷和應力

當材料的工作環(huán)境確定之后，大致的金屬材料要求也能確定很多部分，但仍然不足，因為在機械設計中，最重要的還是金屬材料的載荷以及應力。金屬材料的載荷，通常有金屬自身重量的載荷，以及外界壓力的載荷，兩者結加在一起，構成對金屬材料的總載荷，若金屬材料能夠滿足工作環(huán)境所需條件，一個大的載荷是必不可少的，否則，一個小的載荷不但不能有效承載外界附加載荷，還可能因為自身重量過程，導致自身載荷大于自身所能承載的極限，從而導致自身結構的破壞。而金屬的應力，則是金屬材料在受到外界壓力而產(chǎn)生形變時，因材料本身形狀發(fā)生改變，從而內(nèi)部結構的力學分布同樣發(fā)生改變，外部應力就在這時產(chǎn)生，應力作用于材料形變的各部分之間，總是力圖使材料恢復原狀，可以理解應力為材料本身的恢復力。應力可以在材料剛度和脆性上得到體現(xiàn)，應力大的材料，因為內(nèi)部應力作用，外界力很難使材料發(fā)生形變，體現(xiàn)剛度;但一旦形變，就很有可能因為應力過大的作用而使材料本身結構被破壞。由此可見，金屬材料的荷載需要的一個較大的值，這能有效承載材料的總荷載，但應力卻需要一個適中的值，這樣能確保材料不易形變與脆性過高。這樣的材料制作成的零件，再由零件設計成的機械模型，在實際運作中，將體現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，而優(yōu)秀的性能，體現(xiàn)在機械模型上，就是使用壽命，工作效率的提升。

2.3 金屬材料的經(jīng)濟性和實效性

在金屬材料各方面的物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍選擇確定后，應當再繼續(xù)考慮一個新的問題，就是金屬材料的價格以及實際中使用效率，無疑，這是非常重要的一點，因為一臺優(yōu)秀的機械模型，不能因為建造成本的過高而放棄，因此在金屬材料各方面物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍確定的前提下，更應該在每一個物理參數(shù)下進行橫向對比，選擇出性價比高的材料，再根據(jù)當前材料，調(diào)整后續(xù)物理參數(shù)所需數(shù)值，值得注意的是后續(xù)選擇參數(shù)不應超過之前確定的物理參數(shù)數(shù)據(jù)范圍，所改參數(shù)僅僅只是數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的上下波動，之后應得出幾組材料的優(yōu)秀解，再次計算不同組之間的性價比，此時應注意到時效性，即性價比的波動，綜上所述的綜合考慮后，選擇出性價比高的幾組作為機械模型設計的原材料。

2.4 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(shù)，所以有不同的物理性能，之前所考慮的金屬材料選擇出發(fā)點都只是已經(jīng)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(qū)別，加工難度不僅是體現(xiàn)在加工材料的物理性能差異上，還體現(xiàn)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(chǎn)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(shù)據(jù)變化明顯的那一組金屬材料。

2.5 金屬材料的環(huán)保及可循環(huán)性

同樣的，之前在選擇金屬材料時，依舊只是參考了關于機械設計這本身的一個問題，遠遠沒有考慮到環(huán)保這個大問題上，所以最后，我們還得考慮環(huán)保及可循環(huán)這一對機械設計不重要但對我們生活環(huán)境很重要的問題。首先看污染可能產(chǎn)生的幾個源頭，一是加工流程，在這一過程中，不可避免的會出現(xiàn)各種廢氣廢料等等，但我們?nèi)匀豢梢赃x擇在加工過程產(chǎn)生污染小的金屬材料，例如有些金屬材料的加工需要用到一些能產(chǎn)生重污染的步驟，我們就應當換一種金屬材料，避免這一步驟。二是減少環(huán)境危害，當廢氣廢料等排放到周圍環(huán)境后，必然會污染當?shù)丨h(huán)境，但我們?nèi)孕枳龀鲎约鹤畲笈Γ缃饘俨牧现剡x取危害性小的金屬材料，或是危害性極小的新型金屬材料。三自然是可循環(huán)，所謂可循環(huán)，就是指所謂廢料等能夠經(jīng)過處理從而再次被使用，因此，在金屬材料的選取上，優(yōu)先選取可循環(huán)使用的金屬材料，或是能夠被回收利用的金屬材料，總而言之，就是不要過多使用一次性金屬材料，盡可能讓金屬材料得到充分利用。

2.6 機械設計中對金屬材料的應用探討

從設計機械模型問題出發(fā)，探討機械模型所需的金屬材料，從第一步考慮機械中金屬材料所處位置，假想在那種工作環(huán)境中，金屬材料會受到怎樣的外界壓力，金屬材料自身又會產(chǎn)生怎樣的物理變化，又會對機械模型產(chǎn)生怎樣的影響，之后我們給出各個工作環(huán)境下金屬材料應當怎樣確定材料物理參數(shù)的范圍，然后考慮金屬材料在自身及外界荷載下將承受怎樣的荷載以及產(chǎn)生怎樣的應力，相應之間又該如何選擇，當這些關于機械設計的主要參數(shù)確定后，又考慮相應金屬材料的采購，進而引出經(jīng)濟性的金屬材料選取，之后是考慮加工難點與工藝復雜，最后則是考慮到我們所處環(huán)境，整個流程工藝對環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響，至此，已經(jīng)全方位考慮關于機械設計的金屬材料選取問題。

3 結束語

在機械設計中，多數(shù)人只看重機械設計的結構，運作模式，處理能力，然而金屬材料的選擇，的確是設計一個優(yōu)秀機械最重要的基礎，沒有一個好的材料，如何能運作一臺優(yōu)秀的機械，如何讓科技的力量在機械中奔騰？所以一定要選擇合適的金屬材料，使其在機械設計中發(fā)揮更大的作用。

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