机械设计中材料的选择和应用

王立才

(北华大学机械工程学院，吉林 吉林 132021)

1 材料选择及应用对机械设计的意义

自改革开放以来，我国的工业规模不断发展，社会和市场对于大型机械和专业机械的需求量与日俱增，机械的大规模量产使得机械制造材料资源紧缺，面对日益扩大的需求市场材料供应问题日渐突出，如何协调有限的资源与总量已不断扩大的社会总需求之间的关系成为了考验材料学工作者的一个重要课题。随着能够用于机械制造的材料储存总量不断减少，材料供需问题成为了影响机械产业发展的一个重要因素，如果在未来不能很好地解决材料供应问题，那么就会造成机械产业发展必须面对压缩材料的局面，过去受限于技术发展水平的限制，我们一直没有找到解决的方案，直到材料学在近几十年的突飞猛进，使我们看到了一个能够扭转材料共性问题的解决方案，那就是通过选择更加适应来替代传统的机械材料，让材料能够帮助机械保持更稳定的工作状态和更长久的使用寿命。随着材料学的不断发展，现在从业人员发现了更多适合的材料来替代过去的传统机械制造材料，使得机械制造的材料来源渠道变得更加多元化。同时，在材料学的不断探索下，越来越多材料的潜力被挖掘出来，研究人员发现了其适应于特殊使用环境和使用需求的特点，并在此基础上进行不断地挖掘。除此之外，节能环保的概念也在不断渗透进入机械设计和生产行业。一些传统材料由于开采和加工的过程不适应环境保护的需求，因此就面临着在未来必须有所替代的局面。新型材料在开发之初就已经考虑了这些问题，尽可能减少开采和生产过程中所造成的各类环境影响问题，所以他们具备更加广泛的应用空间。而且对于材料生产企业而言，如果在现有的过渡阶段没有抓住机会及时调整产业类型，无法对新型材料有足够的认识和生产能力，那么在日后面对完全由节能环保材料为主要组成部分的材料竞争，就更没有市场竞争能力。所以对于企业而言，材料学的发展，帮助企业获取了在市场竞争中取得一席之地的资本。对于社会来讲，一些高能耗、高污染的材料，必然会被历史淘汰。而对于个人来讲，材料学的发展，使得材料在使用过程中，对于环境、使用者和人体的影响程度都会被控制，这样一来能够使得材料的应用更加安全可靠。

2 常见的机械设计材料

2.1 金属材料

金属材料是机械设计的，由于机械具备高强度特点，特别适合在机械内部承担连接、转轴、受力等功能。目前机械设计中，90%以上的材料都是金属材料。金属材料在自然界中埋藏范围广泛，但总量不大，对其进行开采后，还需要有特定的加工步骤，才能够使其具备操作使用功能。我国目前使用数量最大的金属材料为钢和铁，我国的钢铁产量常年位居世界首位，钢铁具备高强度、高韧性的特点，特别适合用于机械制作材料。另一方面，由于我国钢铁产量长期稳居世界第1，部分地区的钢铁甚至出现严重过剩，这使得钢铁材料在我国的整体采购成本不高，适合大批量采购。另一方面我国钢铁产量如此巨大，使得钢铁材料的供应非常充足，不需要考虑过多材料短缺的问题。但从另一个方面来讲，钢铁材料的生产又是典型的高能耗，高污染行业，钢铁生产过程中需要耗费大量的煤炭资源、水资源，并且生产过程还会排放废气、碎渣、废水，未来钢铁材料可能仍然会成为机械设计的主要组成材料，但是钢铁材料自身也一定会面临一次彻底的变革，将其开采方式、加工方式、使用方式，处理方式进行优化调整，使得钢铁材料在使用过程中能够与环境之间保持互不影响的状态。

2.2 高分子材料

高分子材料是新时代在科技发展影响下产生的新型材料，塑料、橡胶、合成纤维都是典型的高分子复合材料。这类材料的特点在于自然界中没有天然的相关成品出现，其原材料又大部分来自于石油。高分子材料虽然没有钢铁材料那样的强度，但是也具备一些独有的优势。目前高分子材料与金属材料，无机非金属材料作为重要的机械设计材料普遍存在于各类机械设计生产场景中。高分子材料的产生，使得机械生产的材料来源进一步拓展，并且在一些特定的使用需求中有剩余金属材料的特性。但高分子材料中例如塑料材料虽然具有广阔的应用前景和应用空间，但是由于自身在自然界中难以进行降解，所以对于塑料材料如何进行处理，一直是一个困扰材料学研究者的问题。塑料在自然环境中想要完成完全的降解，需要百万年的时间，在这样的过程中，它会持续影响到周围的自然环境，当数量达到一定程度时，就会超过自然界的最大承载能力，造成严重的生态污染情况。机械设备在未来仍然会有很大的发展空间和需求量，以塑料为代表的高分子材料，在未来的发展过程中该进行如何改变，成为了所有关心材料学发展和环境保护问题人的共同关注问题。

2.3 复合材料

复合材料与传统材料相比，由于其在某些特殊环境或特殊功能上具有绝对的优势，所以近些年在一些特种设备制作过程中倾向于使用复合材料。目前广泛存在的复合材料，一般都表现出自重较轻、耐久性强，耐热性好的优点。对于传动轴类使用过程中需要高速运转，耐受高温高速摩擦的环境使用复合材料能够有效提升转动轴设备的使用寿命和工作稳定性，因此，在目前通用的传动轴材料选用上，都会把复合材料作为首选。虽然材料对于设备构建的使用性能和生命周期具有一定的影响，但是具体的效果和使用功能还需要根据具体的使用环境、使用对象、使用特点和使用场景来进行区分。复合材料与钢材料相比，其最大的特点在于自重较轻，所以可以有效地减少整个设备的自重，使得设备内部结构能够进行优化，达到小型化、轻量化的发展目标。对于机械运动而言，传动轴是至关重要的轴体，但传动轴自身如果自重较大就会影响到内部结构的分配，同时对于整个机械的荷载控制也会造成影响。除此之外，复合材料还具有耐腐蚀性、耐磨损、耐高温的性能，在高速运转的转动轴环境内，高温和摩擦是造成传动轴设备使用寿命降低的一个重要影响，通过对复合材料这一优势的发挥，可以很大程度地提高复合材料制成的传动轴的使用寿命和工作稳定状态。让此类材料所制作的传动轴在运行过程中能够更加安静稳定，避免出现大量噪音或扰动的情况。

3 机械设计材料选择及应用注意事项

3.1 经济性

对于机械生产负责人而言，大批量采购同类型材料就必然要考虑到材料的采购成本，如果对采购成本不加以控制，那么积累庞大的数量之后，其成本控制会成为一个非常大的问题。机械设计者不仅要考虑到机械性能和结构，还要考虑到支撑这些功能实现的材料使用情况，不同的材料采购价格不同，合理的搭配方式，在必要的区域设置和添加足额的相应材料，而在其它区域则选择更加经济合理的方案是控制材料成本的有效手段。

3.2 环保

传统的工业生产机械中大部分机械设备材料在开采和生产过程中都伴随着严重的环境污染问题。随着社会总体对于环境保护概念的重视以及对身边自然环境的关注，材料生产和材料投用必须要考虑到是否会对周围的环境造成负担，会不会造成环境污染问题。新型材料在设计之初考虑到了这方面的顾虑，所以新型材料在环保上具有较强的优势，但是新型材料并不能完全替代传统机械加工材料，那么如何控制传统材料的用量和规模，就成为了考验机械设计者专业能力和总体控制水准的地方。

3.3 机械性能

机械性能的实现要依靠专门的材料才能完成，不同材料会承担着不同机械功能实现的需求，因此在进行机械设计时，必须要挖掘材料潜力，采用最合适的材料，以提升机械性能。

4 结语

机械设计需要投入大量的材料，而每一种材料在开采和生产的过程中都有不同的工艺，一些材料在开采中会造成环境的污染，而一些材料在使用之后对其进行处理又非常困难。从业人员必须熟练掌握不同材料的使用性能，并对机械结构特点和功能性需求有所了解，在此基础上才能够完成机械设备的设计。