淺析材料在機械設計中的選擇及使用

新鄉職業技術學院　張美娟

淺析材料在機械設計中的選擇及使用

新鄉職業技術學院張美娟

摘要：本文旨在從機械設計中常見的幾種材料及性質分析；機械設計中材料選取和應用需考慮的四大要點以及機械設計中常見的選材與應用技術方法等幾個方面出發，淺談材料在機械設計中的選擇及使用的相關問題。

關鍵詞：材料；機械設計；選擇及使用

中圖分類號：TH14

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）04-0136-01

在機械設計過程中，不但要重視設計方案的創新性和高性能，對設計方案的可行性和科學合理性也需進行充分的考慮，而機械設計的材料選擇和應用就是設計師必須優先考慮的。材料的選擇不但要考慮材料的性能、價格，還需預測使用該種材料可能造成的風險或出現的問題，只有將這些要點思慮周全之后，才能進行下一步驟的機械設計。

一、機械設計中常見的幾種材料及性質分析

（一）金屬型材料

金屬材料在機械設計中應用非常廣泛，是重要的機械制造使用材料。金屬型材料以其常見易得、耐熱導熱以及耐磨損等優勢成為當前機械設計中最常用的一類材料。同時，一些金屬材料還因具備強度較大、柔韌性較好等性能受到廣泛運用，例如：銀的化學性質穩定耐腐蝕。一般在機械制造中選擇使用的金屬材料有：鋁、銀、銅、鐵、錫等。

（二）復合型材料

復合材料是一種由兩種或兩種以上的不同性質的材料組合而成的新材料。這種材料的性能較其他單一性材料更加優質和多樣，因此，復合型材料在機械設計中經常被使用。復合型材料分為金屬型和非金屬兩大類，常見的金屬復合材料有不銹鋼、鈦合金等，而非金屬復合材料則有碳纖維、高硅氧玻璃纖維、芳綸纖維等。

（三）高分子合成材料

在當前的機械設計中，高分子合成材料的應用程度并不高，但在一些重要的機械設計方面也會有使用。高分子合成材料的質量輕、性能好，在特殊情況下還提升機械產品的性價比。但其也有遇惡劣條件性能降低、性質發生改變等缺陷。常見的高分子合成材料有纖維材料、橡膠材料以及塑料材料等。

（四）陶瓷類材料

陶瓷材料在機械設計中比較常見。其強度較高、硬度較好、具有耐腐蝕能力且質量較輕，特別是與同體積金屬材料相比較的情況下，陶瓷類材料的重量遠遠低于金屬型材料。但陶瓷也具有易碎、價格高等缺陷。

二、機械設計中材料選取和應用需考慮的四大要點

（一）材料所具備的性能

在機械設計中，設計師選擇材料主要從各材料的性能著手，只有所選擇材料的性能符合此次機械設計的要求，才能保證設計出來的機械產品質量可靠。如果選擇和使用的材料在性能上無法滿足設計的要求時，設計出來的機械產品將無法發揮預期的功能，無法達到預期效果。例如：一些機械產品在柔韌度和耐腐蝕方面要求很高，這就需要設計師選擇具備這些性能的材料進行機械產品的制造，如果這些要求被忽略，設計出來的機械產品很可能會由于受到設計材料的制約而無法進行正常的生產制造工作，即便能夠進行生產活動，其生產出來的產品也將無法達到使用標準和要求。因此，設計師在選擇材料時應優先考慮材料所具備的性能是否與設計要求相適應。

（二）加工工藝的影響

機械產品的完成需經過設計、加工、成品三個環節。在產品的加工過程中，加工工藝的差異以及加工理念的不同將會對產品的質量及性能產生影響。加工環節的程序復雜，包括了多種工藝和多項流程，每一道工藝或每一個流程中出現的細微紕漏都會影響產品的性能。因此，設計師在考慮所選材料性能的同時需要顧及到加工工藝可能對材料造成的影響。

（三）加工環境的影響

與加工工藝一樣，材料的加工環境也將對材料的性能產生影響。例如一些金屬材料在溫度劇變的條件下可能會發生變形等問題。因此，在對原材料進行選擇時應考慮到機械產品生產場地的環境影響因素。如果材料在在與之性能不相適應的環境進行加工生產，其生產的產品性能將受到影響，從而影響到產品的質量，進而對企業造成經濟損失。因此，設計師在設計時應充分考慮到產品所處環境可能會對加工造成的影響，并制定出解決方案。

（四）機械產品的價格

為了增強機械生產企業的生存能力和市場競爭能力，除了提升產品質量形成品牌效應吸引更多用戶之外，產品的價格也是重要的決定因素。機械產品的性價比是用戶購買時優先考慮的因素，因此，設計師在設計時應充分考慮原材料的成本，加工所需的成本費用，企業在此基礎上確定合理的價格。總而言之，機械產品的價格不但要保證用戶的可接受程度、滿足市場對產品的需求現狀，也要在保證產品質量的前提下，盡量降低生產成本，獲得最大程度的利潤。

三、機械設計中常見的選材與應用技術方法

（一）運用調質技術提升材料性能

為了提升材料的綜合性能，對材料進行調質這一種熱處理技術非常常見。它不但能夠對材料的強度和塑性程度進行提升，而且能通過提高材料強度和沖擊度來減小零部件的體積，減輕重量，從而使機械的重量得到減輕，所需空間減少。

在運用調質技術時，應清楚明確標注調質，以防止一些廠家誤用其他技術對材料進行處理。同時，調質的硬度范圍也需注明清楚。此外，熱處理后的材料硬度應與實際要求相適應。

（二）硬化技術處理材料表面

為了提升材料的耐腐蝕性和耐磨損性能，可以采用氮化技術以及滲碳技術等常見的硬化技術對金屬材料表面進行處理。滲碳技術是將鋼材放入滲碳爐中進行表面碳含量增加技術，達到標準后進行淬火，最后利用低溫回火技術消除其應力。

（三）鋼材的氮化技術

利用氮化技術對鋼材進行處理具有材料變形程度較低，氮化后無需進行再加工等優點。材料氮化的強度需依照材料質量進行核算確定，在氮化時通常使用整體氮化技術，必要時可采用局部氮化技術對局部進行處理。氮化技術非常適合與調質技術一同使用，這樣可以增強材料的耐磨損性能，同時提升材料的強度。

結語

綜上所述，在機械設計過程中，對機械制造材料進行科學合理的選擇和應用非常關鍵，對機械產品的性能、壽命等都有深遠的影響。設計師在對材料進行選取時，應充分考慮各材料的性能，選擇出符合機械設計要求的材料，并通過專業技術及方法對材料進行處理，以提升材料的性能及機械設計的適應程度。

參考文獻：

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[2]索春英.淺談自動化技術在機械設計中的應用[J].價值工程，2014.