淺析機械設計中選材應把握的幾個問題

1.機械設計中材料的選擇原則

在機械設計與制造過程中，如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。不僅要考慮材料的性能是否能夠適應零件的工作條件，使零件經久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經濟性，以便提高零件的生產率，降低成本，減少消耗等。選材中要注意到材料的化學物理性能、機械性能和工藝性能，如密度、彈性模量、強度、韌性、耐蝕性、耐磨性、高溫和低溫強度、焊接性能、淬透性、熱處理變形量、可鍛性、切削性能、經濟性等。選用材料要根據產品批量，是常年需要（定型產品）或一次性生產（單件、單批生產），從機械性能、工藝和經濟三方面來考慮。

1.1材料的機械性能。在設計并進行選材時，應根據零件的工作條件和損壞形式找出所選材料的主要機械性能指標，這是保證零件經久耐用的先決條件。如汽車、拖拉機或柴油機上的連桿螺栓，在工作時整個截面不僅承受均勻分布的拉應力，而且拉應力是周期變動的，其損壞形式除了由于強度不足引起過量塑性變形而失效外，多數情況下是由于疲勞破壞而造成短裂。因此對連桿螺栓材料的機械性能除了要求有高的屈服極限和強度極限外，還要求有高的疲勞強度。由于是整個截面均勻受力，因此材料的淬透性也需考慮。

1.2材料的工藝性能?，F代工業所用的機器設備，大部分是由金屬零件裝配而成的，所以金屬零件的加工是制造機器的重要步驟。

1.3材料的經濟性。在滿足使用性能的前提下，選用材料時還應注意降低機械的總成本。機械的總成本包括材料本身的價格和與生產有關的其他一切費用。在金屬材料中，碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的，因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵（尤其是球墨鑄鐵），不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。

2.機械設計中材料選擇的重要意義

在現代經濟社會工業化體系不斷健全與完善的推動作用下，整個機械生產與加工行業也面臨著前所未有的發展機遇與挑戰。當前，大部分用于機械設計的材料正逐步稀缺，所以，機械設計工作必需的材料日益增長的需求與各種原材料稀缺之間的矛盾日益突出與激化。與此同時，在經濟社會不斷發展、完善過程中，各行業領域對原材料的需求還要與機械設計的原材料需求爭發展空間、爭原料資源，這就使得機械設計中材料的選擇與應用空間被進一步壓縮。可以說，這是機械設計中材料選擇與應用所面臨的基本矛盾。

3.機械設計中材料選擇的重點問題

材料選擇作為機械設計最關鍵的內容之一，其工作質量的好壞將直接關系到整個機械設計工作質量的好壞。要想做好機械設計中的材料選擇工作，首先要使材料滿足機械零部件在運行過程中各種機械性能、物理性能以及化學性能的要求。在此基礎上，還要兼顧機械生產與加工過程中的可操作性、經濟性以及安全性。具體而言，在整個機械設計的材料選擇工作中，有以下幾方面需要設計人員特別關注的要點：

3.1機械設計中材料載荷類型的選擇。大量的實踐研究結果表明，在機械設計工作中大多數零件失效的根本原因均是由機械材料的外載荷性能所導致的，而機械零部件所具備的各種應用性能恰好能夠有效地抑制這種零部件的失效問題。這種機械材料外載荷性能與抑制失效問題的零部件性能之間的矛盾，要求我們在機械設計材料選擇工作中，以零部件材料的載荷性能及應力大小作為材料性能選擇的評價指標。

3.2機械設計中碳素鋼與合金鋼材料的選擇。在當前的機械設計材料市場當中，碳素鋼受其加工性能和操作性能好、成本價格優越等特點影響得到了廣泛的關注與應用。與此同時，設計人員也需要關注一個問題：這種碳素鋼的低強度、低韌性以及中等形狀以上材料零部件無法進行熱處理加工淬透作業等缺陷，使其在機械設計材料選擇中受到了較為嚴重的制約。

4.機械設計中材料應用工作的重點分析

材料的應用作為材料選擇工作質量好壞的體現與延伸，在整個機械設計工作中發揮著不可忽視的作用。機械設計中材料選擇工作的合理性固然重要，材料應用工作的經濟性與環保性同樣也值得設計人員加以密切關注。可以說，如何在確保材料選擇工作質量的前提下，正確處理好材料應用中經濟性、可操作性以及節能環保性的統一，已成為機械設計工作的重要課題，這也是機械生產與加工行業蓬勃發展的必然選擇。在機械設計材料的應用工作中堅決貫徹落實可持續發展觀念，就需要做好以下二個方面的工作：

4.1機械設計中材料應用工作需要做到適用性與經濟性的統一。設計人員需要明確一點：適用性與經濟性的統一是當前在機械設計材料應用工作中首先要考慮的問題之一。機械設計中材料的應用工作需要以機械材料零部件的制造工藝為參考指標。在機械生產與加工作業中，鑄造工藝、熱處理工藝、切削工藝、焊接工藝等加工處理技術對于機械設計中材料應用的要求各有不同。詳細來說，鑄造工藝要求機械設計材料的應用向高流動性、高收縮性以及高吸氣性方向發展，焊接工藝需要機械設計在材料應用中考慮材料的沖壓性、冷鐓性特點，熱處理工藝需要機械設計在材料應用中滿足淬透性、過熱敏感性以及氧化脫碳性等方面的基本性能，切削工藝則要求機械設計在材料應用中滿足切削作業可操作性的特點。其次，機械設計中的材料應用工作需要對經濟性加以特別關注。機械設計材料的應用需要在確保零部件材料各方面性能均能得到滿足的基礎之上，對材料零部件的加工工藝成本進行合理控制，這就需要結合機械生產與加工企業的現有生產條件，對機械零部件的成型方式及最佳加工工藝路線進行有效控制。

4.2 機械設計中材料應用工作需要做到環保性與節能性的統一。機械設計材料應用工作環保性與節能性的統一作為生態經濟社會建設發展過程中可持續發展觀念賦予機械設計工作的新要求，需要引起設計人員的特別關注。經濟社會在發展過程中對于各種不可再生原材料的需求與消耗，最終勢必會給機械設計材料的選擇與應用工作埋下嚴重的隱患，因而材料應用工作中節能性與環保性的統一已成為我們下一步工作的重點。

5.結語

伴隨著現代科學技術的蓬勃發展與經濟社會的不斷進步，人民日益增長的物質文化與精神文化需求對新時期的機械設計行業提出了更為全面與系統的要求，機械設計材料的選擇與應用在整個機械設計過程中所占據的地位也日益重要。

參考文獻

[1]劉飛，綠色制造的研究現狀與發展趨勢·中國機械工程，2010，11，78-81.

[2]蔡建國，綠色產品設計及其關鍵技術·機械設計與研究，2011，2，18-20.

[3]馮培恩，機械廣義優化設計的理論框架·綠色視野，2012.12.33-35.

作者簡介

張建軍（1959年7月—），男，助理工程師，現從事機械設計與安裝工作，已發表論文3篇。