探究金屬材料及機械材料在機械設計中的具體運用

江翔

江蘇新揚新材料股份有限公司，中國·江蘇 揚州 225000

科學技術的普及，雖然明顯提高了機械制造業的現代化發展水平，但是也使得機械設計中，機械材料浪費現象越來越嚴重。基于此，論文重點圍繞金屬材料及機械材料在機械設計中的具體運用展開了論述，首先分析了機械設計中機械材料選擇與應用的重要性，以及機械材料的具體類型，然后又梳理了機械材料選擇與應用應當遵循的原則和要點，給出了加強機械材料選擇與應用的措施，以期為相關科研人員提供參考借鑒。

金屬材料；機械材料；機械設計

1 引言

在機械制造業的發展過程中，機械設計是最重要的一個環節。在中國機械設計水平不斷提高的背景下，機械材料的選擇與應用也受到業內人士的高度重視。只有選擇出最適合的機械材料，才能夠加強機械產品生產質量的控制，為中國機械制造業的可持續發展提供保證。但是，要想選擇出最適合的機械材料，優化機械設計，不僅要遵循相應的材料選用原則，還要準確把握材料的選用要點，還要采用正確的材料選用方法策略。

2 機械材料在機械設計中的應用重要性

在中國工業發展進程不斷加快的形勢下，機械設計對于機械材料的使用需求也越來越大。但是，實際情況卻是，能夠滿足機械設計要求的機械材料并不多，機械材料的匱乏，與機械設計水平的提高之間存在著極大的矛盾。在這種情況下，機械設計行業要想實現可持續發展，必須進一步加大新型材料資源的探索和挖掘，提升機械材料的實用性、經濟性以及豐富性。這樣一來，機械材料資源的應用價值可以得到進一步發揮，機械設計水平的提高也更有保障。

在中國社會經濟的發展過程中，機械制造行業是最基礎的組成部分。而機械材料的選擇與應用，則是機械制造行業中最關鍵的一個環節。在中國產業化發展進程不斷加快的形勢下，只有對機械材料的選擇與應用予以高度的重視，選擇出最能夠滿足機械設計需求的材料，并對機械材料進行合理的應用，才能夠持續推進機械設計水平的提高，為中國社會經濟的穩定發展打好基礎。

3 機械設計中常用的機械材料類型

3.1 陶瓷類材料

在機械設計中，陶瓷類材料是最常見的一種機械材料。例如，在工業瓷器制作中，應用最廣泛的兩種材料是氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷。在特殊條件下，這兩種陶瓷材料可以對部分金屬和高分子材料進行取代，并表現出耐化學侵蝕能力強、熱密度低、硬度高等優勢。在機械設計中，陶瓷類材料經常用于自身組件改裝過程中，目的在于提高組件的密封性。但是，陶瓷類材料的應用也暴露出了一些弊端，即硬度差、脆性高、生產成本高。

3.2 金屬類材料

在機械加工過程中，使用最廣泛的便是金屬材料加工而成的機械設備。國內以金屬類材料為原材料的機械設備利用率幾乎都在99%以上。與其他機械材料相比，金屬類材料的應用具有成本低、韌度高等特點，且能夠滿足各類加工方法的使用需求。所以，金屬類材料在機械設計中的應用非常廣泛。

3.3 高分子復合材料

所謂高分子復合物，其實就是兩種或兩種以上材料融合在一起形成的復合材料。融合在一起的原材料不同，最終的復合材料所表現出來的特性也存在差異。在材料加工過程中，所處的加工條件不同，需要選擇使用的復合物也不同。例如，合金材料，其實就是一種特殊形式的復合物。從理論角度分析，高分子材料與合成纖維材料非常相似。與其他機械材料相比，高分子材料的制作過程，不會產生過多的能源消耗，且適用范圍非常廣闊，所以在機械設計中有著極為廣闊的發展前景。

4 機械材料在機械設計中的應用原則

4.1 實用性原則

在機械設計過程中，需要對使用到的機械材料予以重點控制，否則將有可能出現承載能力較差，機械設計需求得不到滿足的問題，并對后續的機械制造的順利進行產生影響，使生產人員面臨莫大的生命安全威脅。鑒于此，在對機械材料進行選擇與應用的過程中，需要對機械材料的承載能力極限予以重點考慮，并將機械材料的這一指標，作為最重要的一項材料選擇標準。如果所選擇的機械材料不具有較強的承載能力，那么當其在后期承載較大負荷的時候，將有可能出現扭曲、破裂等問題，使機械制造企業面臨巨大的生產風險。所以，設計人員必須對機械材料予以慎重選擇，加強金屬材料耐久性與牢固性的控制，并通過專業的變形性能測試，排出機械零部件在后期運行過程中出現變形問題或彎曲問題的可能。另外，設計人員還需要結合時代的發展，加強機械制造方法的改革與創新，通過與時俱進的制造方法，將材料的性能優勢充分發揮出來，實現機械制造質量的提高。

4.2 合理性原則

面對競爭日益激烈的市場發展環境，機械制造企業必須著重提高自身的市場競爭力。機械設計是現代化市場經濟體系中的主要構成。只有提高機械設計的效益，才能夠為機械設計行業的發展提供支持和保障。而且，機械設計行業的發展，對于機械材料的需求也比較高。只有對機械材料進行科學合理選擇，才能夠在降低機械制造過程中風險影響程度的同時，幫助企業加強生產成本的控制，實現生產經濟效益的提高。所以，在機械設計中，必須遵循合理性原則，對機械材料進行選擇和應用。

4.3 環保性原則

環保是當今時代的發展主題，在國家相關部門大力倡導生態環保可持續發展理念的背景下，機械制造企業在發展過程中，不僅要創造可觀的經濟利潤，還要控制機械生產過程中污染的排放，并對歷史遺留下來的環境污染問題進行處理。所以，在機械設計過程中，在對機械材料進行選擇與應用的過程中，也應當嚴格遵守環保性原則[1]。

5 機械材料在機械設計中的選擇應用要點

5.1 負載型材料的選擇

針對有機加工技術的設計，經常出現機械組成部分及物料無法使用的問題。究其原因，主要與這些機械組成部分或物料的機器承受能力不夠高，無法強化組件和物料的優越性。鑒于此，在機械設計環節，在對金屬材料或者零部件進行選擇的時候，必須對設計載荷開展嚴格把關。例如，低合金鋼材料滲碳，就是一種性能優良的負載型材料。

5.2 低能耗低污染材料的選擇

在機械設計過程中，無論選擇哪種類型的機械材料，都必須確保不會產生嚴重的能源消耗和環境污染，盡量不要選擇需要進行預先加熱處理的材料。因為很多需要預先加熱處理的材料，都會或多或少地對大氣環境產生污染，并且對加熱場地的大氣環境污染最為嚴重。所以，在應用機械材料的時候，要優先選擇在熱軋狀態、冷拔狀態下存在良好機械特性的材料。目前，在應用機械材料的過程中，會優先利用低硬度鋼等材料，來完成機械零件的鑄造，并使鑄造后的機械材料表面形成一個硬化層。

5.3 實用型材料的選擇

為了將有利于機械加工的金屬材料篩選出來，需要在正式開始機械加工之前，對各種機械材料的性能特征進行分析，并結合機械設計需求，選擇出最適合的金屬材料，確保金屬材料能夠得到充分的應用，其使用優勢能夠得到充分的發揮，且在應用過程中不會產生嚴重的資源浪費、能源消耗問題。鑒于此，在某些機械加工環節，需要對金屬材料及相關組件的硬度提出苛刻要求。另外，還有部分機械加工環節，會對金屬材料的外形提出嚴格要求。也就是說，在不同的機械加工環節，處于不同的機械加工條件，需要選擇不同性能特點的金屬材料。

5.4 經濟型材料的選擇

在對機械材料進行選擇的過程中，經濟成本也是不可忽視的一項考慮因素。在機械設計過程中，機械人員一定要對產品設計中的特定流程進行重點研究，然后結合相應的產品設計特點，進行生產設備的選擇，確保這些生產設備的應用成本最低、應用價值最高。之后，再對機械產品設計要求進行確定。不同的機械材料，有著不同的性能特點[2]。對各種類型的機械材料的性能特征進行研究，可以幫助設計人員更好地篩選出最符合設計需求的、投入成本最低的材料。另外，設計人員也應當結合設計預算，對機械材料進行選擇。首先，機械材料應當符合機械產品的設計工藝規范，并具有物美價廉的特征。其次，機械材料應當具有生產成本效果和較強的經濟性特征。機械材料在應用過程中，應當不會產生過多的能量消耗。

6 機械材料在機械設計中的應用強化措施

6.1 對機械設計要求進行明確

在機械設計中，要想加強機械材料的應用，需要對機械設計要求進行明確，對機械設計重難點進行準確的把握，為機械設計工作的合理進行提供保障。首先，對設計零部件的應用進行確定。機械零部件的應用，對于零部件機械性能的設計要求有著直接的影響。而機械零部件的機械性能，又與金屬材料的選擇與使用息息相關。所以，設計人員需要對零部件的應用予以高度的重視，對零部件將要面臨的工作環境進行全面剖析，并找到可能對零部件性能發揮產生影響的因素，然后再以此為基礎選擇出最適合的機械材料。在這一過程中，設計人員還可以通過仿真建模的方式，對零部件所在地區的工作環境進行深入剖析，對零部件的各種受力參數進行分析，然后再選擇出最適合的機械材料。其次，對金屬材料的經濟性特征進行分析。不同的機械材料有著不同的經濟價值。要想對機械設計成本進行控制，就必須對各種機械材料應用的經濟效益進行分析，對零件制造過程中需要選擇的生產工藝技術進行分析，對零件制造過程中產生的人力成本、資金成本以及物力成本進行分析，然后選擇出最適宜的生產工藝。

6.2 加強機械材料性能的分析

在機械設計中，要想加強機械材料的應用，需要加強機械材料性能的分析。首先，對機械材料的物理性能和化學性質進行分析。金屬材料的物理性質與化學性質非常多，但是在機械設計中，最關注的是金屬材料的密度、熔點、導熱性與導電性[3]。設計人員需要對機械零部件即將要面臨的工作環境有一個準確的把握，并在此基礎上，對多種不同的金屬材料的物理化學性質進行分析和對比，并結合這些金屬材料的生產工序復雜程度，確定出性能特征最適合、質量最優保證的金屬材料。例如，如果機械設計對于零部件的整體載荷能力有要求，設計人員就可以優先選擇鋁、鎂等輕金屬材料作為零部件的生產材料。其次，對機械材料的化學特性進行分析，例如化學穩定性、耐腐蝕性以及抗氧化性等。因為某些機械產品或者零部件需要長期處于高溫條件下工作。為了保證此類機械產品或者零部件的使用壽命，需要優先選擇使用具有較強耐熱性能和抗氧化性的機械材料。最后，對機械材料的工藝特性進行分析，例如焊接性能、鑄造性能以及切削性能等。因為機械材料的這些性能，直接關系著零部件的制造難度。設計人員只有利用實驗的方式，對各種金屬材料的工藝特性進行對比分析，才能夠選擇出最具有可行性的材料和生產工藝。

6.3 提升處理工藝選擇的合理性

在機械零件生產過程中，為了提升零件的綜合性能，還需要使用到各種生產工藝。設計人員需要對各種機械材料生產過程中需要使用的處理工藝進行分析，然后根據處理工藝的復雜程度，進行生產決策的優化與完善。例如，針對鋼管等金屬材料的熱處理，需要經過兩個環節。第一個環節是熱處理環節，主要包含退火、正火和萃取等操作。第二個環節是表面熱處理環節，主要包含滲碳、滲氮、高頻淬火等操作。如果機械材料的硬度變化幅度較大，切割和加工難度較大，可以通過退火處理，降低機械材料的硬度。如果需要對機械材料的堅硬程度進行調整，則建議采用正火處理方法[4]。如果使用了退火處理法和正火處理法后，機械材料的穩定性與堅硬程度依然不符合要求，還可以進一步采用淬火法或回火法。如果機械零部件的外表或者中心部的加工特性可能發生變化，則設計人員需要進行外表熱處理實驗。總而言之，不同的機械材料有著不同的處理方法、使用流程以及復雜程度。設計人員只有對所有的機械材料進行全面考察和細致研究，才能夠將其更好地應用到機械設計中。

7 結語

綜上所述，在社會經濟發展速度不斷加快的形勢下，機械設計水平必然會不斷提高，對于機械材料和金屬材料的應用需求也會越來越大。但是，要想加強機械材料的應用，促進機械設計領域的發展，不僅要對機械設計要求進行明確，還要加強機械材料性能的分析，提升處理工藝選擇的合理性。