金属材料在机械设计中的选择与应用初探

林伟宏

（福建省雄伟安全技术咨询有限责任公司，福建 泉州 362012）

我国科学技术的进步大大推动了机械制造业的发展，而金属材料是机械制造设计中重要的组成部分。机械制造不仅需要大量的金属资源，而且还要兼顾经济、环保、可持续发展的要求。机械设计制造的资源消耗量大与我国目前资源稀缺的矛盾日益凸显，因此如何大幅度提高金属资源的利用效率，保证在有限的资源环境下提高机械的耐久性是摆在企业面前的难题。要想提高金属资源的利用效率，就要从金属材料的选择上入手，选用经济、环保、可重复利用的金属材料，这样才能实现机械制造业的长期稳定发展。

1 我国金属材料在机械设计中选择的原则

1.1 金属材料的选择需要考虑零件的工作环境

金属材料在使用前要充分考虑它未来应用于机械的工作环境。众所周知，机械设计和制造是一个系统而复杂的工程。机械是由许许多多的零部件组成的，而零部件是由金属材料加工而成。因此机械设计加工的可靠性和耐久性很大程度上取决于零件的工作环境[1]。零件的工作环境主要包括环境的温度和环境的湿度。环境的温度会引起金属材料的热胀冷缩，在持续高温的环境下使用就会引起机械零部件体积膨胀，紧固螺栓等就会受到挤压而变形，从而影响机械的使用安全；在持续低温的环境下使用就会引起机械零部件体积收缩，导致紧固螺栓变得松弛，在机械的运转过程中就会存在螺栓或齿轮脱落的情况，给机械的使用带来安全隐患。因此在机械的设计过程中必须充分考虑机械零件生产加工所选用的金属材料的热胀冷缩问题。要选用膨胀系数较小的金属材料来制作零件，以减少金属材料热胀冷缩的影响，保障机械的使用安全。环境的湿度也会影响金属材料的性能。因此在金属材料应选用抗腐蚀性能好、不易氧化的材料。综上在机械零件设计制造前要合理选择金属材料，充分分析各种金属材料的物理化学性能，选择膨胀系数较小、耐腐性强的金属材料，这样才能保障机械设计能够满足使用要求。

1.2 金属材料的选择要充分考虑工作荷载和应力

机械在使用过程中要必然会承受一定的工作荷载和应力。工作荷载包括机械恒载和机械活载。机械恒载包括机械上长期放置的辅助型设备仪器，而机械活载包括机械运转过程中切割、冲压所遇到的各种压力。机械抵抗工作荷载和应力本质上是组成机械的金属材料的抗压性能。如果选用的金属材料没有足够的强度，那么在长期的永久荷载和动荷载作用下就会产生破坏，严重影响机械的耐久性和稳定性。因此在机械设计过程中要充分考虑金属材料的抗冲击性和抗压性能。保障选用抗冲击性和抗压性能好的金属材料，这样才能使设计制造的机械具备足够的抵抗工作荷载和各种应力的能力，进而保障机械的使用安全。

1.3 金属材料的选择要考虑经济性和耐久性

机械设计要充分两点：第一是机械设计制造的经济性。第二是机械设计制造的耐久性。对于机械设计制造的经济性就是要保障机械使用功能和安全的前提下，降低机械设计制造的成本。而降低机械设计制造的成本，根本上要从金属材料的选择上入手，对需求量大的金属材料要进行对比分析，选用性能良好而价格相对较低的金属材料，这样才能大大降低金属材料的加工制作成本，进而降低机械制造成本。而机械设计制造的耐久性就是要提高机械的使用寿命。机械的设计使用年限长短很大程度上取决于所选用的金属材料，因此在机械设计过程中要大量使用耐久性好、稳定性强的金属材料，这样才能使制造的机械设计使用年限大大增加，同时保障机械在设计使用年限内不会发生影响安全和使用的问题出现。

1.4 金属材料的选择要充分考虑加工性能和机械制造复杂程度

机械是由无数个零件组成，因此要保证零件的加工质量和缩短零件的加工周期，就要充分考虑组成零件金属材料的加工性能。选用加工性能良好的金属材料，不仅可以保障所制造的机械零件能够满足各种规范标准的要求，而且还能提高零件制造效率。

1.5 金属材料的选择要考虑环保和可持续发展

图1 金属零件材料的选择

在机械制造过程中零部件加工所用的金属材料要选用易于替换、环保无污染的材料，同时要全面贯彻国家可持续发展的政策，在保证金属材料质量的同时要可循环利用，节约金属资源。金属材料的选择要考虑环保：有的金属材料虽然力学性能强，化学性能稳定，但是本身具有放射性，会对人体健康产生影响同时会对环境产生污染，应当限制此类金属材料的使用。金属材料的选择要考虑可持续发展：机械零件用到的金属材料较多、品种较杂，因此要尽量选用可循环利用的金属材料，这样机械达到设计使用年限后，可以对机械零部件进行回收再利用，避免不必要的浪费。

2 金属材料在机械设计中应用应做好的工作内容

在对金属材料在机械设计中的选择原则做了充分了解的基础之上，为保证机械设计的零件能够满足使用要求，机械设计过程中设计人员要做好金属材料的应用工作，设计人员具体可以从以下几个方面入手。

（1）设计人员要明确机械的设计目标和具体要求。在机械设计之前，机械设计人员首先要明确机械的功能用途、设计使用环境和设计使用年限要求。在明确了机械的设计目标和具体功能要求后，在设计过程中要对选用的金属材料做一个初步选择和分析。机械的功能用途不同，会导致选用的金属材料性能差异较大。例如机械主要应用于切割、吊装，就要求金属材料要有足够的强度，力学性能要比较优异。若机械主要应用于破冰，就要求金属材料要有抗冻、抗侵蚀性能。针对不同的功能用途，设计人员应当充制定不同的设计目标和方案，必要时还可以进行机械使用模拟，通过实验验证不同功能用途的机械零部件的安全性和可靠性。节约加工成本的关键就是要重视金属材料的应用管理，大力推广经济、环保和易于就地取材的金属材料，认真分析不同材料的物理化学性能，充分发挥各种金属材料的性能，改进设计工艺，在满足机械用途的前提下，简化机械的结构复杂程度，大幅度降低机械制造成本。

（2）机械设计人员要做好金属材料的性能分析工作。要保证机械能够满足生产和使用要求，就必须要做好金属材料的性能分析工作。金属材料的性能分析工作主要包括：金属材料的物理性能分析和金属材料的工艺性能分析。金属材料的物理力学性能是指机械设计用到的金属材料应当能够满足不同使用功能用途，适应不同的工作环境。当机械长期处于高温环境作业时，需要应用膨胀系数较小的材料，保证零件的稳定性；当机械长期处于潮湿环境作业时，需要应用抗氧化和抗腐蚀性能优异的金属材料，保证零件不被潮湿空气氧化和锈蚀，进而保证机械的使用安全；当机械长期处于高负荷、高应力环境作业时，需要应用抗冲击性能、抗疲劳性能、抗压强度高的金属材料。金属材料的工艺性能是指机械设计用到的金属材料在加工制作的过程中能够具备良好的焊接、锻造性能。能够根据设计图纸，方便切割、焊接和组装，能够大幅度提高机械零件的加工质量和加工效率。

（3）机械设计人员要合理选择加工和生产工艺。机械是由众多的零件组成，机械的质量很大程度上取决于金属材料的质量，同时科学合理的加工和生产工艺直接影响着零件的质量。因此机械设计人员在机械设计过程中要充分重视零件加工和生产工艺。机械设计人员应当根据机械的使用用途和机械结构的复杂程度设计采用多套加工和生产工艺方案，根据选定的加工和生产工艺方案，运用统计法和列表法，对各个加工和生产工艺方案进行优缺对比，综合分析后从中选择既能满足生产和使用要求，又能大幅度缩短加工周期的方案。要尽可能的减少人员消耗和资金消耗。机械设计人员通过制定科学合理的加工和生产工艺可以充分发挥不同金属材料的物理力学性能，保证零件的各项指标满足国家标准和规范的要求，同时还能够提高机械的安全性、可靠性和稳定性。

3 结语

综上所述，随着我国机械制造业的高速发展，机械的安全性、可靠性和耐久性引起了社会的广泛关注。而保证机械能够满足要求最为关键的是要保证选用的金属材料能够达标。因此金属材料在机械设计中的选择和应用逐步受到了机械设计人员的重视。金属材料的选择不仅要充分考虑机械的使用环境和使用用途，还要根据不同的使用环境和使用用途应用不同物理力学性能和加工性能的金属材料。只有这样才能保证生产的机械既能满足使用要求，还能提高机械产品的性能和质量，不断推动中国机械制造业健康高效发展。