机械设计中材料选择及应用

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摘要：越来越多的机械设备被应用于我国的工业发展中。在机械设计中选择和应用合适的材料，成为了解决机械行业可持续发展问题的重要课题。在进行机械设计过程中，关注的是合理性的要求，要确保材料选择的科学性，而在应用过程作为材料选择工作的体现和拓展，工作的重心则在于经济性和环保性，要考虑材料应用工作的成本和是否环保。只有这样才能高效的完成机械工作，为机械设计行业的发展奠定良好基础。

关键词：机械设计;材料选择;应用

机械行业是国民经济中第二产业发展的重要支撑，在经济发展中具有非常重要的位置。工业化进程加快的过程中，机械设计所涉及的新材料新规范同步增加，与此同时，许多用于机械设计的传统材料成了稀缺资源，需求同材料的紧缩逐渐形成矛盾，机械设计的材料的选择和应用空间进一步被压缩。在这样的情况下，机械设计中材料的选择和应用面临着新课题，应该坚持与时俱进、适用、经济等原则，合理利用资源，为做好机械设计环节打下基础，促进机械行业的可持续发展。

1机械设计常用的材料

1．1金属

金属材料是在众多工程材料中使用的最广泛的一种，据有关报道统计，所有机械产品中金属材料占比达到92%以上。这与金属材料本身的性质关系较大。金属材料:(1)硬度高，外力承受阈值较大，不易变形;(2)强度高，在结构中能承受较大的内力，相应稳定性和持久性都会增加;(3)类多样，多样化的金属材料单质和合金能够适用于各种不同工况不同条件下的性能要求，尤其是合金;(4)价格便宜。

1．2陶瓷

陶瓷材料的主要成分事氮化硅和碳化硅。这种材料的优点包括硬度高、耐腐蚀性好、密度教低、有较好的抗压性。主要缺点是易断裂，价格贵。目前对陶瓷材料应用比较多的是密封零件的制作。

1．3高分子

在机械设计中多用的高分子材料主要是指塑料和合成纤维。这种材料的特点有:(1)来源丰富，甚至可以从天然气中提取;(2)密度小，适用于需要轻型材料的设计要求;(3)能源消耗低;(4)延展性较好，可塑性强。

1．4复合材料

所谓复合材料，是指通过物理和化学手段将两种以上不同材料组构成一种新材料，分为金属和非金属两种。金属材料包括各种合金，金属丝。非金属材料有橡胶，陶瓷、新型树脂、玻璃纤维、碳化纤维等。复合材料往往可以满足不同的工艺要求。

2机械设计中材料选择的注意事项

2．1机械设计中的材料的选择应考虑适用工艺

机械设计中材料选择过程中的第一个注意事项就是适用性。设计人员要对机械材料有一定的了解，要根据不同的设计要求，选择合适的材料。不同工艺因其工况和设计要求不同，对材料的选择要求也不尽相同。比如说，铸造工艺要求材料有伸收性和偏折性，锻造工艺要求材料有冲压性和可锻造性，焊接工艺要求材料有敏感性，热处理工艺则要求材料有氧化脱碳的倾向与可淬透等性质。应当说，材料只有达到了这些基础要求，才能在各种工艺下被加工成相应机械零部件，并进一步被整合成机械设备。在机械设计材料选择中，必须考虑到不同材料性质与不同工艺的匹合度。

2．2材料的选择应考虑零件使用要求

一般而言，机械零件失效的最常见原因就是外载荷的施加，因此，材料选择过程中必须考虑材料的载荷性能与成品零件将承受的载荷特征的匹配度，并以此作为选择的标准之一。比如脆性材料一般只在静载荷的情况下设计使用。此外，外力载荷一般会使零件发生可逆或不可逆形变，为避免这种形变给零件使用造成影响，材料的均质性也非常重要。一般来讲，天然适用多项要求的材料较少，材料选择过程可以综合考虑加工手段使用提高材料性能的前提，比如对金属材料进行热处理等。

3机械设计中材料选择的注意事项

3．1机械设计中的材料的选择应坚持经济性

当前，机械工业也蓬勃发展，对于机械材料的需求量与日俱增，可是机械材料面却存在量不及需的现状。面对如此多的需求，机械设计中的材料的应用上，必须注重经济性。在满足材料适用性要求的基础上，选用成本较低的材料，此间的成本，除了材料本身的成本以外，还包括加工成本、运输成本、利用率等。应当说，只有做到了材料选择的经济性，机械设计才能得到长足的发展。在进行经济性考虑时，此处的不浪费，一方面是指不造成材料用量的浪费，在有效截面面积小于50mm的情况下，就可以选用20Cr;在截面面积为50～150mm，且重量小于50千克时，则可以选择20Crmnti等。另一方面，也指不能造成材料性能的浪费，即所用为所需，无需过分要求应用的材料性能。比如说，在选定材料后，在进行材料硬度选控时，做到材料能满足零件的机械性能即可，无需采用硬度、纯度过高的材料，避免机械制造成本的浪费。诸如此类，通过设计中材料的选择优化，就能够避免浪费，节约成本。

3．2机械设计中的材料的选择应坚持绿色环保可持续

当前的机械产业处于国民经济快速发展、自然环境牺牲巨大、各类资源相继短缺的大背景下，人们逐渐意识到，为了追求更高的经济效益而以牺牲环境作为代价，是得不偿失的。环境保护问题是关系到人类发展和生存的重大问题，在进行设计时必须以坚持环保为原则，重视材料选择和应用的环保性。行业在重视纯粹的机械设计的发展之外，也要实现机械设计与经济及环境保护的协调、可持续发展。设计是生产的开端，生产取决于设计，作为设计人员，在机械设计阶段，就要有绿色意识，能耗低、效率高、污染少的材料应当逐渐成为应用材料的主力军。

4结语

在机械设计中，材料应用的工作具有着不可替代的重要地位。本文指出，在进行机械设计过程中，关注的是合理性的要求，要确保材料选择的科学性，而在应用过程作为材料选择工作的体现和拓展，工作的重心则在于经济性和环保性，要考虑材料应用工作的成本和是否环保。如何在确保零件实用性的前提下，实现材料应用的环保化、经济化，达到两者的协调统一，是当前机械设计行业必须面对和解决的课题，也是行业蓬勃发展的必然要求。

作者:张娟娟 唐慧敏 单位:郑州电子信息职业技术学院