机械设计中金属材料的选择及应用

杨 茜

（吕梁职业技术学院，山西 吕梁 032300）

机械制造业的发展影响着我国工业的发展，而机械设计作为机械制造业的基础性工作，企业对于材料的选择关系机械制造过程的效率和质量。在机械设计的过程中，企业应依据金属材料自身的优缺点，综合考量其性能，注重扬长避短，使机械达到最佳使用效果。随着现代社会对机械制造的需求不断提高，材料紧缺的问题在机械加工业市场中尤为凸显，企业在选择金属材料时要注重其经济实用性，为机械制造与生产提供便利条件，帮助企业在机械制造中获得更大的利润，使企业在机械加工业市场中占据有利的竞争地位[1]。

1 机械设计中金属材料的选择原则

1.1 机械性能

机械生产制造中，材料选择时要考虑金属材料本身的荷载力大小和荷载性质，尤其是机械设计中的材料荷载力和可塑性，是决定企业生产机械产品性能的关键。设计师要想在后期设计过程中保证机械良好的使用效果，就要尽可能选择荷载水平较高的金属材料，否则金属材料因荷载性能较低而引发的使用受阻碍或者使用失效等不良反应，都会影响企业生产材料的效果。企业的技术人员应认真审核加工材料，检测材料的性能，评估材料的各项性能参数；在必要的情况下，还应对材料进行调质、渗碳、氮化等技术处理。

1.2 尺寸与质量

现代机械制造业是一个容错率较低的行业，所生产的元件会被应用于各种形式的生产过程中，一个小的零件发生规格错误，都有可能影响实际的生产效果，或是给实际的生产造成严重的安全事故，因此机械制造一般要求零容错率。如果机械制造企业的选材不当，就可能导致金属材质部件的质量或者尺寸不合格，轻者会造成资源浪费，重者可能会给企业的生产造成巨大的损失[2]。由此可见，零件的尺寸与质量也是企业选择机械制造金属材料的一个重要的内容。企业的技术人员在选材时，要全面考虑生产产品的尺寸与质量，选择与之相符的金属材料，既可以帮助企业避免资源浪费的情况，也可以满足机械制造行业的零容错率要求。

1.3 工作环境

工业机械制造行业所生产的软件多数会被应用于工业生产中，而各个机械组成部分所处的工作环境并不相同，因此选择不同功能的金属材料非常重要。对此，机械制造企业要考虑以下几点因素。1）温度方面的因素。金属材料可能会随着外界温度的变化而出现热胀冷缩的情况，在热胀冷缩的条件下，金属材料体积的变化幅度不同，膨胀系数也有所差异，因此企业选择金属材料时要考虑温度方面的因素。2）湿度及金属材料防腐蚀性能方面的因素。机械制造生产中，一些零件可能会在高度腐蚀的环境中工作，如果环境的条件较为潮湿，就只适合高防腐蚀能力的金属材料应用其中，否则金属材料的防腐蚀性能不强，可能会影响机械设计的效果。3）耐磨性能方面的因素。零件在运行的过程中必然会出现磨损问题，随着运行时间的延长，零件的磨损程度会越来越高，达到一定程度的时候，就可能会引发连锁的生产故障，因此企业要选择硬度较大、耐磨性较好的金属材料，有效地延长机械产品的使用寿命。随着现代焊接技术、热喷涂技术的发展，零件性能的加工技术也更加先进，可以促使零件的寿命得到有限的延长，节约企业的生产成本，有助于企业获得更高的经济利益。

1.4 加工需求

金属零部件的生产过程比较烦琐，各类金属零部件的结构也相对复杂，因此金属材料加工时要考虑其材料本身的性能，只有达到与生产需求相符合的条件，才能进一步开展机械设计工作，这也是设计者必须考虑的实际因素。对于一些生产过程较复杂零部件的机械加工过程而言，企业需要进一步采取高端加工技术的方式，如板材冲压元件焊接等加工流程可以检验金属材料的加工性能，无法通过材料的性质检测就无法被应用于实际的机械制造中。金属材料本身只有具备较好的冲压切削能力或铸造焊接性能，才能适应更高水平的机械制造，而现代工业的机械制造生产需要综合性能较优的金属材料[3]。

1.5 经济环保性

现代社会追求经济、绿色环保、可持续发展的理念，良好的生态环境是每一行业必须遵守的生产原则，也是促使行业得到健康发展的基本前提。创造经济效益是机械制造企业生产与运营的目标，选择性价比更高的金属材料有助于企业科学地缩减成本，使企业在生产中获得更大的利润空间。另外，企业在市场竞争中获得的成本资金越多，越利于企业将资金投入其他生产活动中，如提升企业的生产力、引进新型设备等，因此对于金属材料的选择，企业要重视其经济环保性，所选择的材料应根据加工的难易程度及材料的转化率来选择材料价格合理的种类，既要依照科学的选材原则，也要为企业尽可能地降低生产成本。

1.6 循环实用性

在机械制造与生产过程中，制造企业通常需要将多种金属材料混合制作成合金来达到预期的效果，合金的制作方法可以提升金属的综合性能，但金属材料的合金制作过程比较烦琐，需要企业具备一定水平的技术生产能力。如果机械设备报废，合金的回收成本也会高于金属材料，而且合金的回收难度也要高于金属材料，就容易造成大量的资源浪费，要想增强机械制造与生产的环保性和合理性，就要考虑金属材料的循环使用。组成元素越少的合金越能提升其材料的回收率，这也是机械制造企业需要考虑的重要内容。

1.7 材料无害化

金属材料中有一些特殊的金属元素会对人体的健康造成危害，如常见的铅、铬。在工业制造生产过程中，这些金属材料所产生的废弃物排放不当，会造成环境污染。工业机械制造是为了造福人类，对社会生产起到推动作用，但如果机械制造企业使用存在较多污染物的金属材料，就会影响人类社会的稳定，对人们的身心健康会造成不良影响，甚至会威胁自然环境的和谐发展。因此，机械制造企业在选择生产所需要的金属材料时，要考虑金属材料的无害化，对于这些具有严重危害性的金属材料，要最大限度地减少使用次数，必要时可以考虑是否存在可替代材料，如果没有可以替代的材料，企业就要有效控制该材料的应用程度，使其处于可控的范围内，而不会对外界造成过多的影响[4]。

2 机械设计中金属材料的环保性选择与应用

2.1 选择污染小与耗能低的材料

企业在机械制造与生产中要认真贯彻落实现代可持续发展的理念，金属材料的选择应尽可能避免在加工过程中产生大量的废气和废料，有效减少机械生产对环境的污染和资源的浪费。有些金属材料在经过热工艺处理后，其性能会得到提升，使用寿命也会得到延长，但是热工艺处理过程中存在污染环境的现象也会消耗大量的能源，因此制造企业应尽可能避免使用需要大量热处理的材料。如果一些金属材料无法避免要进行热处理，企业也要尽可能选择处理工序较少的材料，以有效降低能耗和环境污染的程度。

2.2 选择可回收再生的加工材料

选择合适的加工材料在机械设计中非常重要，减少产品材料的种类，尽可能选择可回收、可再生、易降解的材料，提升基础材料对环境的兼容性。机械使用过程中必然会出现材料磨损的情况，磨损严重的材料就要报废；而报废之后的金属资源回收问题也是设计中需要考虑到的因素，如果废弃的资源无法得到大比例的回收，社会资源的浪费问题将会越来越严重。有些金属材料中存在有害物质，若无法回收就会危害人们的身体健康，设计师在设计机械元件时，既要保证零件的优良性能，更要减少产品中材料元素的种类，使金属材料在废弃回收后还可以进行二次利用，而且回收的成本比较低。若是橡胶与金属的混合设计，其报废以后的回收过程中则很难分离出金属物质，二次利用的效率也会大大降低[5]。

2.3 优先选择新型的安全性材料

传统的物质材料在加工时可能会产生有害物质，对自然环境造成非常严重的危害，设计师要尽可能减少使用这类物质材料，在条件允许的情况下，可以大胆尝试用新型材料替代传统的基础材料。比如，现代市场中常见的金属泡沫材料由于不能被燃烧，可以提高循环使用的效率，而且金属泡沫对环境的污染程度非常低，属于无毒无害材料的范畴。除此之外，金属材料市场中还有许多新型的材料未得到重视，企业的设计师在进行机械设计时，应充分调查相关市场情况，对市场中的新型材料进行实验检测，得出相关的性能数据以后，再考虑其性价比是否适合企业的生产加工应用。因此，优先选择新型的安全性材料，也是企业需要在机械设计中需要特别注意的[6]。

3 结束语

在现代社会的发展过程中，机械设计行业起着促进国民经济增长、推动工业现代化发展的重要作用，合理地选择基础材料，不仅可以优化机械设计的环节，还可以为企业的发展提供助力。企业对材料的选择要满足实际加工流程的要求，提升其经济适用性和环保利用性，只有坚持走可持续发展的道路，机械制造企业才能在现代经济市场中得到更广阔的发展空间。