金属材料在机械设计中的选择与应用初探

黄东阳

摘  要：在科技高度发达的今天，想要在科技运用方面再进一步，毫无疑问，传统机械需要得到一次彻底的更新换代，例如联接结构的创新，机体结构的改变，驱动方式的选择优化等等。但毫无疑问的是，上述所有的一切都有一个非常重要的起点，那就是材料，尤其是金属材料，金属材料在机械设计中的地位无与伦比。因此，在科技飞速发展的今天，科技的运用必须跟上科技发展的步伐，而充分利用材料，使材料在机械设计中发挥出超过之前的功能，使设计出的机械系统能够完成比之前更多的工作，这就是在科技运用方向上的一种进步。

关键词：金属材料;机械;设计;优化探究;应用

中图分类号：TH142         文献标志码：A              文章编号：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

随着时代的发展，工业技术产业日渐成熟，目前很多工业企业与现代化技术融合形成了具有未来发展特点的现代化工业。在现代化工业的发展中，随着人们生活水平的提高，与之而来的是工业用原材料的稀缺，并且随着时间的推移，两者的矛盾逐渐突出。据不完全统计，目前为止世界上用于工业的材料已经达到了四十多万种，并且每年还在递增中。相信不久的未来这些材料会变得异常珍贵，所以，各行各业都在争取用有效的原材料资源来提升自己的发展空间，机械工业也不例外。在这种情况下，机械工程的发展就变得急迫起来，所以，在机械工业中如何对有限的金属原材料进行完美的应用对机械工业的发展具有重要的意义。由于金属材料种类多样，它们的特性也有很大的不同，只有掌握好這些原材料的分类、性能以及相关应用领域等内容，才能在机械工业设计中发挥最大的作用。

2 金属材料在机械设计中的选择原则

2.1 需要考虑零件的工作环境

在如何选择金属材料加工某一确定零件，必然需要对该零件的工作环境进行考虑，例如常见的压力变化，温度变化，电导率变化，体积变化等等。压力变化可能引起零件表面的受力结构受到破坏，温度变化可能对温度敏感的材料产生永久损害。以及在精密仪器中十分重要的杨氏模量系数，应力与应变的关系系数，这能反映该材料在面对外界压力时的应变情况，选择一个大的杨氏模量系数，可作为承载应力大的材料。又如考虑到机械的实用性，必然不可能是少量次数的使用物品，那这就牵涉到长时间的保存，而金属材料的保存，面临的最大问题就是耐腐蚀问题，一种良好的耐腐蚀材料，能长时间的在潮湿环境中保存，然而实用性不只是长时间保存的问题，还有高频的使用，高次数的使用必然导致出现新的问题，就是磨蚀，机械中的传动全靠物理接触，而每一次物理接触，都是一次极其微小的磨损，在次数极高的运作下，每次微小的磨损叠加后引起的是显著的金属结构的变形与破坏，因此，耐磨性必然也是选择的要点之一。其中任意一项因素的改变都将对该零件产生一定程度上的影响，而这种影响又会逐步传播到下一步的工作进程中，从而导致整个机械模型受到影响，进而影响到工艺流程等，可见，在考虑机械设计的初步，就是考虑原材料的选取，而如何进行选取原材料，又需要从制作完成后的零件所处的工作环境，以及原材料本身的物理系数等等进行综合考虑，得出一个最佳设计方案。

2.2 金属材料的载荷和应力

当材料的工作环境确定之后，大致的金属材料要求也能确定很多部分，但仍然不足，因为在机械设计中，最重要的还是金属材料的载荷以及应力。金属材料的载荷，通常有金属自身重量的载荷，以及外界压力的载荷，两者结加在一起，构成对金属材料的总载荷，若金属材料能够满足工作环境所需条件，一个大的载荷是必不可少的，否则，一个小的载荷不但不能有效承载外界附加载荷，还可能因为自身重量过程，导致自身载荷大于自身所能承载的极限，从而导致自身结构的破坏。而金属的应力，则是金属材料在受到外界压力而产生形变时，因材料本身形状发生改变，从而内部结构的力学分布同样发生改变，外部应力就在这时产生，应力作用于材料形变的各部分之间，总是力图使材料恢复原状，可以理解应力为材料本身的恢复力。应力可以在材料刚度和脆性上得到体现，应力大的材料，因为内部应力作用，外界力很难使材料发生形变，体现刚度;但一旦形变，就很有可能因为应力过大的作用而使材料本身结构被破坏。由此可见，金属材料的荷载需要的一个较大的值，这能有效承载材料的总荷载，但应力却需要一个适中的值，这样能确保材料不易形变与脆性过高。这样的材料制作成的零件，再由零件设计成的机械模型，在实际运作中，将体现出优秀的性能，而优秀的性能，体现在机械模型上，就是使用寿命，工作效率的提升。

2.3 金属材料的经济性和实效性

在金属材料各方面的物理参数数据范围选择确定后，应当再继续考虑一个新的问题，就是金属材料的价格以及实际中使用效率，无疑，这是非常重要的一点，因为一台优秀的机械模型，不能因为建造成本的过高而放弃，因此在金属材料各方面物理参数数据范围确定的前提下，更应该在每一个物理参数下进行横向对比，选择出性价比高的材料，再根据当前材料，调整后续物理参数所需数值，值得注意的是后续选择参数不应超过之前确定的物理参数数据范围，所改参数仅仅只是数据范围内的上下波动，之后应得出几组材料的优秀解，再次计算不同组之间的性价比，此时应注意到时效性，即性价比的波动，综上所述的综合考虑后，选择出性价比高的几组作为机械模型设计的原材料。

2.4 金属材料的复杂结构程度及加工性能

不同材料之间，因为存在不同的物理参数，所以有不同的物理性能，之前所考虑的金属材料选择出发点都只是已经设计好模型之后，什么样的金属材料才能满足当前机械模型的工作需求，但目前所面对的情况为，有了金属原材料，需要开始加工流程，但因为不同的物理性能，加工难度存在明显区别，加工难度不仅是体现在加工材料的物理性能差异上，还体现在加工零件模型的操作困难上，同一种金属材料，加工不同的金属零部件，加工难度完全不同，而同一的金属零件加工，也会因为不同的金属材料而导致加工难度存在差异，加工之后，金属材料的物理特性可能因为加工过程的切割高温等因素而产生变化，不同材料变化的程度不同，因此，我们需要确保加工之后金属材料的物理性能依旧符合之前的需求，因此去掉物理数据变化明显的那一组金属材料。

2.5 金属材料的环保及可循环性

同样的，之前在选择金属材料时，依旧只是参考了关于机械设计这本身的一个问题，远远没有考虑到环保这个大问题上，所以最后，我们还得考虑环保及可循环这一对机械设计不重要但对我们生活环境很重要的问题。首先看污染可能产生的几个源头，一是加工流程，在这一过程中，不可避免的会出现各种废气废料等等，但我们仍然可以选择在加工过程产生污染小的金属材料，例如有些金属材料的加工需要用到一些能产生重污染的步骤，我们就应当换一种金属材料，避免这一步骤。二是减少环境危害，当废气废料等排放到周围环境后，必然会污染当地环境，但我们仍需做出自己最大努力，如金属材料着重选取危害性小的金属材料，或是危害性极小的新型金属材料。三自然是可循环，所谓可循环，就是指所谓废料等能够经过处理从而再次被使用，因此，在金属材料的选取上，优先选取可循环使用的金属材料，或是能够被回收利用的金属材料，总而言之，就是不要过多使用一次性金属材料，尽可能让金属材料得到充分利用。

2.6 机械设计中对金属材料的应用探讨

从设计机械模型问题出发，探讨机械模型所需的金属材料，从第一步考虑机械中金属材料所处位置，假想在那种工作环境中，金属材料会受到怎样的外界压力，金属材料自身又会产生怎样的物理变化，又会对机械模型产生怎样的影响，之后我们给出各个工作环境下金属材料应当怎样确定材料物理参数的范围，然后考虑金属材料在自身及外界荷载下将承受怎样的荷载以及产生怎样的应力，相应之间又该如何选择，当这些关于机械设计的主要参数确定后，又考虑相应金属材料的采购，进而引出经济性的金属材料选取，之后是考虑加工难点与工艺复杂，最后则是考虑到我们所处环境，整个流程工艺对环境产生怎样的影响，至此，已经全方位考虑关于机械设计的金属材料选取问题。

3 结束语

在机械设计中，多数人只看重机械设计的结构，运作模式，处理能力，然而金属材料的选择，的确是设计一个优秀机械最重要的基础，没有一个好的材料，如何能运作一台优秀的机械，如何让科技的力量在机械中奔腾？所以一定要选择合适的金属材料，使其在机械设计中發挥更大的作用。

参考文献：

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