機械設計中材料的選擇和應用

王立才

(北華大學機械工程學院，吉林 吉林 132021)

1 材料選擇及應用對機械設計的意義

自改革開放以來，我國的工業規模不斷發展，社會和市場對于大型機械和專業機械的需求量與日俱增，機械的大規模量產使得機械制造材料資源緊缺，面對日益擴大的需求市場材料供應問題日漸突出，如何協調有限的資源與總量已不斷擴大的社會總需求之間的關系成為了考驗材料學工作者的一個重要課題。隨著能夠用于機械制造的材料儲存總量不斷減少，材料供需問題成為了影響機械產業發展的一個重要因素，如果在未來不能很好地解決材料供應問題，那么就會造成機械產業發展必須面對壓縮材料的局面，過去受限于技術發展水平的限制，我們一直沒有找到解決的方案，直到材料學在近幾十年的突飛猛進，使我們看到了一個能夠扭轉材料共性問題的解決方案，那就是通過選擇更加適應來替代傳統的機械材料，讓材料能夠幫助機械保持更穩定的工作狀態和更長久的使用壽命。隨著材料學的不斷發展，現在從業人員發現了更多適合的材料來替代過去的傳統機械制造材料，使得機械制造的材料來源渠道變得更加多元化。同時，在材料學的不斷探索下，越來越多材料的潛力被挖掘出來，研究人員發現了其適應于特殊使用環境和使用需求的特點，并在此基礎上進行不斷地挖掘。除此之外，節能環保的概念也在不斷滲透進入機械設計和生產行業。一些傳統材料由于開采和加工的過程不適應環境保護的需求，因此就面臨著在未來必須有所替代的局面。新型材料在開發之初就已經考慮了這些問題，盡可能減少開采和生產過程中所造成的各類環境影響問題，所以他們具備更加廣泛的應用空間。而且對于材料生產企業而言，如果在現有的過渡階段沒有抓住機會及時調整產業類型，無法對新型材料有足夠的認識和生產能力，那么在日后面對完全由節能環保材料為主要組成部分的材料競爭，就更沒有市場競爭能力。所以對于企業而言，材料學的發展，幫助企業獲取了在市場競爭中取得一席之地的資本。對于社會來講，一些高能耗、高污染的材料，必然會被歷史淘汰。而對于個人來講，材料學的發展，使得材料在使用過程中，對于環境、使用者和人體的影響程度都會被控制，這樣一來能夠使得材料的應用更加安全可靠。

2 常見的機械設計材料

2.1 金屬材料

金屬材料是機械設計的，由于機械具備高強度特點，特別適合在機械內部承擔連接、轉軸、受力等功能。目前機械設計中，90%以上的材料都是金屬材料。金屬材料在自然界中埋藏范圍廣泛，但總量不大，對其進行開采后，還需要有特定的加工步驟，才能夠使其具備操作使用功能。我國目前使用數量最大的金屬材料為鋼和鐵，我國的鋼鐵產量常年位居世界首位，鋼鐵具備高強度、高韌性的特點，特別適合用于機械制作材料。另一方面，由于我國鋼鐵產量長期穩居世界第1，部分地區的鋼鐵甚至出現嚴重過剩，這使得鋼鐵材料在我國的整體采購成本不高，適合大批量采購。另一方面我國鋼鐵產量如此巨大，使得鋼鐵材料的供應非常充足，不需要考慮過多材料短缺的問題。但從另一個方面來講，鋼鐵材料的生產又是典型的高能耗，高污染行業，鋼鐵生產過程中需要耗費大量的煤炭資源、水資源，并且生產過程還會排放廢氣、碎渣、廢水，未來鋼鐵材料可能仍然會成為機械設計的主要組成材料，但是鋼鐵材料自身也一定會面臨一次徹底的變革，將其開采方式、加工方式、使用方式，處理方式進行優化調整，使得鋼鐵材料在使用過程中能夠與環境之間保持互不影響的狀態。

2.2 高分子材料

高分子材料是新時代在科技發展影響下產生的新型材料，塑料、橡膠、合成纖維都是典型的高分子復合材料。這類材料的特點在于自然界中沒有天然的相關成品出現，其原材料又大部分來自于石油。高分子材料雖然沒有鋼鐵材料那樣的強度，但是也具備一些獨有的優勢。目前高分子材料與金屬材料，無機非金屬材料作為重要的機械設計材料普遍存在于各類機械設計生產場景中。高分子材料的產生，使得機械生產的材料來源進一步拓展，并且在一些特定的使用需求中有剩余金屬材料的特性。但高分子材料中例如塑料材料雖然具有廣闊的應用前景和應用空間，但是由于自身在自然界中難以進行降解，所以對于塑料材料如何進行處理，一直是一個困擾材料學研究者的問題。塑料在自然環境中想要完成完全的降解，需要百萬年的時間，在這樣的過程中，它會持續影響到周圍的自然環境，當數量達到一定程度時，就會超過自然界的最大承載能力，造成嚴重的生態污染情況。機械設備在未來仍然會有很大的發展空間和需求量，以塑料為代表的高分子材料，在未來的發展過程中該進行如何改變，成為了所有關心材料學發展和環境保護問題人的共同關注問題。

2.3 復合材料

復合材料與傳統材料相比，由于其在某些特殊環境或特殊功能上具有絕對的優勢，所以近些年在一些特種設備制作過程中傾向于使用復合材料。目前廣泛存在的復合材料，一般都表現出自重較輕、耐久性強，耐熱性好的優點。對于傳動軸類使用過程中需要高速運轉，耐受高溫高速摩擦的環境使用復合材料能夠有效提升轉動軸設備的使用壽命和工作穩定性，因此，在目前通用的傳動軸材料選用上，都會把復合材料作為首選。雖然材料對于設備構建的使用性能和生命周期具有一定的影響，但是具體的效果和使用功能還需要根據具體的使用環境、使用對象、使用特點和使用場景來進行區分。復合材料與鋼材料相比，其最大的特點在于自重較輕，所以可以有效地減少整個設備的自重，使得設備內部結構能夠進行優化，達到小型化、輕量化的發展目標。對于機械運動而言，傳動軸是至關重要的軸體，但傳動軸自身如果自重較大就會影響到內部結構的分配，同時對于整個機械的荷載控制也會造成影響。除此之外，復合材料還具有耐腐蝕性、耐磨損、耐高溫的性能，在高速運轉的轉動軸環境內，高溫和摩擦是造成傳動軸設備使用壽命降低的一個重要影響，通過對復合材料這一優勢的發揮，可以很大程度地提高復合材料制成的傳動軸的使用壽命和工作穩定狀態。讓此類材料所制作的傳動軸在運行過程中能夠更加安靜穩定，避免出現大量噪音或擾動的情況。

3 機械設計材料選擇及應用注意事項

3.1 經濟性

對于機械生產負責人而言，大批量采購同類型材料就必然要考慮到材料的采購成本，如果對采購成本不加以控制，那么積累龐大的數量之后，其成本控制會成為一個非常大的問題。機械設計者不僅要考慮到機械性能和結構，還要考慮到支撐這些功能實現的材料使用情況，不同的材料采購價格不同，合理的搭配方式，在必要的區域設置和添加足額的相應材料，而在其它區域則選擇更加經濟合理的方案是控制材料成本的有效手段。

3.2 環保

傳統的工業生產機械中大部分機械設備材料在開采和生產過程中都伴隨著嚴重的環境污染問題。隨著社會總體對于環境保護概念的重視以及對身邊自然環境的關注，材料生產和材料投用必須要考慮到是否會對周圍的環境造成負擔，會不會造成環境污染問題。新型材料在設計之初考慮到了這方面的顧慮，所以新型材料在環保上具有較強的優勢，但是新型材料并不能完全替代傳統機械加工材料，那么如何控制傳統材料的用量和規模，就成為了考驗機械設計者專業能力和總體控制水準的地方。

3.3 機械性能

機械性能的實現要依靠專門的材料才能完成，不同材料會承擔著不同機械功能實現的需求，因此在進行機械設計時，必須要挖掘材料潛力，采用最合適的材料，以提升機械性能。

4 結語

機械設計需要投入大量的材料，而每一種材料在開采和生產的過程中都有不同的工藝，一些材料在開采中會造成環境的污染，而一些材料在使用之后對其進行處理又非常困難。從業人員必須熟練掌握不同材料的使用性能，并對機械結構特點和功能性需求有所了解，在此基礎上才能夠完成機械設備的設計。