机械设计中的材料选择及应用研究

孙勇

摘 要：随着经济的飞速发展，我国工业也步入了高速发展的快车道，人们对于机械产品设计有了更高的要求，优秀的设计理念必须通过良好的材料来实现。因此，机械设计中材料的选择和应用成为人们关注的焦点。如何在确保机械产品正常使用性能的情况下，避免材料的浪费、使用节能环保材料，成为当前机械行业研究的重点。对此，文章进行了深入的分析和探讨。

关键词：机械设计；材料选择；应用

引言

当前，全球经济一体化进程不断加快，城市化建设规模也持续扩大。机械行业已经成为推动国民经济飞速发展的支柱性产业，在社会发展中具有举足轻重的地位。保护生态环境，推动社会的可持续发展成为当今社会的主题。机械行业也不例外，人们对于机械设计中材料的选择与应用提出了更高的要求，机械设计人员在进行产品设计时，不仅要确保所采用的材料能够满足机械施工作业的基本需求，还要确保材料选择的经济性、环保性和节能性。

1 机械设计中材料的选择和应用分析

经济的飞速发展，在推动生产力进一步提高的同时，也引发了环境、资源等诸多的社会问题，我国幅员辽阔，地大物博，然而人均资源占有量却并不丰富，加之经过多年来的大量开发，很多机械设计中所需要的重要的资源已经日益减少。在市场竞争的影响下，资源逐渐变得具有不稳定性，这就更加引发了机械制造的材料成本的增高，机械材料的应用空间也进一步被压缩。面对日益严峻的形势，为了摆脱材料缺少带来的机械制造业的困境，提高机械效率，延长机械使用寿命，在机械设计材料选择上，必须进行更加深入的研究。同时，以保护生态环境、推动可持续发展为目标，选择绿色节能、无污染的材料。

2 材料选择和应用在机械设计中的注意事项

2.1 满足机械零件应用的要求

通过多年的研究和实践可知，对于机械零件来说，其承受的外载荷是造成的零件失效的主要原因。因此，在进行机械设计的材料选择时，必须综合考虑材料的载荷性能以及在工作中零件所需要承受的外载荷的大小和特征。并以此作为选择材料和进行可靠性设计的标准。零件在载荷的作用下，会发生弯曲或扭曲现象，这种变形有时候是可以恢复，有时则是永久性的，产生不可逆的弯曲、拉伸或压缩变形。为了避免材料产生变形，确保零件的实用性，通常可以选择各部分性能比较均匀的材料来制造零件，此外，也可以运用特殊的加工方式来改善材料的抗变形的性能。如用中碳钢调质或低碳钢渗碳的加工方式对其进行加工，进而提高材料的性能指标。

2.2 满足经济性的要求

当前，机械设计所需材料相当缺乏，然而随着经济的发展，社会的进步，机械工业也蓬勃发展起来，对于机械材料的需求量也与日俱增。面对如此多的需求，确保材料的经济性，就成为机械设计工作中必须要考虑的问题。既不能造成材料用量的浪费，也不能造成在材料性能方面的浪费。例如，在确定选用何种材料以及材料的硬度时，需要根据零部件尺寸以及零部件心部的强度等进行确定，材料的用量满足零件的机械性能即可，无需采用过多的材料而造成机械制造成本的增加。如果有效截面面积小于50mm，就可以选用20Cr；如果截面面积为50～150mm，且重量小于50千克，则可以选择20Crmnti等。诸如此类，通过改进和优化设计中对于材料的选择，就能够避免浪费，节约成本。

2.3 满足环保性的要求

工业垃圾、废料垃圾、白色污染，这些在很多年前人们所不知道的名词，现在已成为全世界广泛关注的话题，环境污染问题已成为当前亟待解决的重要问题之一，而解决这一问题的有效途径，就是促进环保，保护生态平衡，推动可持续发展。机械设计人员也是任重道远，在进行机械设计时，对于材料的选择更需要多进行研究、谨慎选择。设计是生产的开端，生产取决于设计，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，作为设计人员，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。

3 机械设计中材料选择的重点问题

材料是机械设计理念得以实现的物质基础，材料的选择也是机械设计工作的重点内容。在进行材料的选择时，必须兼顾材料的各种性能，根据机械设计中对于零部件的工作性能的要求，进行优化设计。首先要使材料满足机械部件在运行过程中各种机械性能、物理性能以及化学性能的要求，在此基础上，还要兼顾机械生产与加工过程中的可操作性、经济性、安全性。

4 机械设计材料的选择原则

4.1 载荷应力大小和性质

这方面的因素主要是从强度观点来考虑，在充分了解材料的力学性能的前提下来进行选择。脆性材料原则上只适用于只在静载荷下工作的零件。在多少有些冲击的情况下，应以塑性材料作为主要使用的材料。金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于最常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。

4.2 机械的工作情况

工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的应力，或者是配合松动；另一方面也要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。

4.3 零件的复杂程度及材料加工可能性

结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。

5 机械设计中材料应用工作的重点分析

在进行机械设计过程中，除了要确保材料选择的科学性和合理性，还要注重材料应用工作的经济性和环保性，材料应用工作是材料选择工作的体现和拓展。在机械设计中，材料应用的工作同样具有着不可替代的重要地位。可以说，材料选择工作关注的是合理性的要求，而材料应用工作的重心则在于经济性和环保性。如何在确保零件实用性的条件下，正确处理材料选择工作和材料应用工作的关系，达到两者的协调和统一，使材料兼具经济性、可操作性、节能环保性，是当前机械设计行业以及机械设计工作者必须面对和解决的重要课题，也是机械生产与加工行业蓬勃发展的必然选择。

5.1 材料应用工作是适用性与经济性的统一

设计人员需要明确一点，适用性与经济性的统一是当前在机械设计材料应用工作中首先要考虑的问题之一。

5.2 材料应用工作是环保性与节能性的统一

时代的发展、社会的进步，赋予了机械设计人员新的历史使命，对其提出了更高的要求。在当今生态经济社会建设发展过程中，可持续发展的观念深入人心，为了保护人类赖以生存的环境，必须把环保与节能作为机械设计材料应用工作的重心。人类所拥有的原材料并非取之不尽用之不竭的，而是随着需求和消耗而逐渐减少，有些材料甚至是不可才生的。最终势必会给机械设计材料的选择与应用工作埋下严重的隐患，加强材料应用工作中节能型与环保性的统一势在必行。关注机械设计材料应用阶段的节能环保，不仅可以有效节约原材料和成本，减少不必要的能源耗费。与此同时，广泛的创新空间还能够满足机械设计中材料应用环节的环保性要求。

参考文献

[1]濮良贵.机械设计[M].高等教育出版社，2011.

[2]王俊昌，王荣生.工程材料及机械制造基础[M].机械工业出版社，2010.

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