探析機械設計中材料的選擇和應用

譚龍利+張曠奇

摘 要：現代化和工業化的發展對機械設計行業提出了更高的要求，從材料的選擇和應用上提出了更多要求，在設計過程中，必須綜合考慮實用性、環保性、荷載能力、可循環性等因素，選擇合適的材料用于機械加工中，確保機械及其零部件的使用性能、質量和壽命。

關鍵詞：機械設計；材料；選擇；應用

機械行業的發展是現代化工業體系創建的重要保障，當前機械需求量增加迅速，對于質量和使用性能的要求也越來越高，材料的選擇和使用成為機械設計所面臨的關鍵問題。材料作為機械設計的基本元素，其選擇和使用是機械設計發展的基礎。在綜合考慮使用性能、工藝要求、環保節能需求以及經濟適用等因素后，選擇和使用最合適的材料用于機械設計中，對于機械使用性能及壽命的提高有重要保障。

1 機械設計中的常用材料

1、金屬材料

金屬材料是機械設計應用最為廣泛的材料，占據使用量的90%以上。鋼鐵材料由于其韌性、硬度、價格、能滿足各種加工要求等，成為使用最多的材料，包括金屬元素以及主要由金屬元素組成的呈金屬性的材料。自然界中就能為機械設計提供近80種金屬材料。除純金屬材料外，合金、特種金屬和金屬間化合物材料也屬于金屬材料。合金材料也是使用廣泛的一種材料。合金材料作為兩種及以上金屬材料的混合物，其特性優良，提升了機械使用性能。特種金屬材料以及金屬間化合物材料是科技領域的重要材料。

2、復合材料

復合材料是使用化學或物理技術把兩種或兩種以上材料復合后，得到的使用性能較為特定且能滿足多種工藝要求的新材料。復合材料包含金屬及非金屬材料。金屬材料主要指鋁、鎂以及合金材料等。非金屬材料則主要包括樹脂、橡膠以及陶瓷等。另外還有玻璃纖維、金屬絲以及碳化纖維等增強型材料。

3、高分子材料

高分子材料即將化合物作為基體，為滿足使用要求而在化合物中摻入相應的添加劑或助劑，從而形成一種聚合物材料。高分子材料的生產原材極為廣泛，獲取便利，合成纖維、塑料等生活中使用率很高的材料就是高分子材料。這種材料可以從自然界的物質中提取，如天然氣等，延展性高、加工能耗低，具備了較強的可再生性及可循環性。目前，在機械設計中，高分子材料正逐步代替很多金屬材料，聚甲醛材料的耐磨性，使其代替金屬材料成為齒輪、軸承等機械零件的使用材料。汽車制造業是高分子材料的主要使用領域，既減輕了汽車重量，又降低了能耗。

4、陶瓷材料

陶瓷材料就是通過天然化合物或合成化合物，經高溫燒結后形成的非金屬材料。陶瓷材料主要包括氮化硅及碳化硅。因其高硬度特性，被廣泛應用于密封零件的設計中；其耐磨性和耐腐性是化學儀器設計制造的重要材料；其電物性能應用于電容器制造中。納米陶瓷技術的發展，使陶瓷材料成為航空航天和衛星通訊等領域的重要材料。

2 機械設計中材料選擇和應用

1、實用型材料的選擇與應用

機械材料的應用要將使用性作為最基本的標準，根據機械設計中的零件性能及使用要求選擇材料。此外，在機械設計中，需要依照具體的工藝指標進行材料加工，對于材料特性有嚴格的要求，鑄造、鍛造、焊接、切削、粘接、熱處理等都需要相應的材料特性有不同要求，焊接時需要滿足敏感性及使用性能，鍛造時則需要材料能夠可鍛性、冷卻度、熱裂傾向性、沖壓性等要求，因此，在選擇和應用材料時，就必須滿足這些工藝的要求，同時，滿足機械零件及整體的性能和要求。在滿足工藝和性能要求后，再選擇經濟性較高的材料。

2、荷載型材料的選擇和應用

材料的荷載能力對于機械零件使用性能及壽命有重要影響，一旦荷載能力不能滿足使用標準，就可能造成材料的失效或者使用中的機械零件失效。選擇材料時，必須確保材料荷載能力能夠滿足機械設計要求，結合經濟性選擇更強荷載能力的材料，確保機械設計使用正常。材料荷載能力能夠通過熱處理技術完善。熱處理技術主要包括調質、表面硬化以及分析氮化等技術。調質技術使用最為廣泛，能夠提升材料屈服度以及拉伸強度，提高材料塑性及強度，在使用調質技術時，要注意明確標注調質技術處理，并標明調質硬度范圍，確保材料硬度能夠滿足實際強度的要求。表面硬化技術是對金屬材料表面的針對性處理，主要作用在于提升材料耐蝕性以及耐磨性，其中氮化技術以及滲碳技術較為常用。滲碳技術即通過滲碳爐提高材料表面的碳含量，再經過淬火后提升表面硬度，之后通過低溫回火消除應力，穩定表面組織結構。氮化技術主要應用于氮化鋼的處理，在處理過程中不會引起較大的材料變形，硬化層也較小，能夠結合調質技術使用，提升材料耐磨性及強度。

3、碳素鋼、合金鋼

碳素鋼因其良好的加工工藝性及價格優勢得到了廣泛使用，但其強度及韌性較差，零件超過中等形狀后就無法進行整體淬透，因此一般會加入一定的合金元素，從而形成合金鋼。合金元素使碳素鋼的強度、韌性、淬透性、耐磨性都得以提高，因此材料性能也有了較大提高，能夠發揮更好的耐熱、耐腐性、耐蝕性能。一般應用于荷載應力較大且較復雜時。或者在淬火工藝性要求較高、防止淬火裂紋或者降低變形時使用。合金鋼使用的限制，既是為了有針對性地提高零件質量，也是為了減少資源浪費。

4、環保節能型材料的選擇和應用

在材料選擇時，尤其要注意那些對環境有不同程度破壞的材料，如砷、鉛、鋰、六價鉻等，在滿足機械設計需求的條件下，盡量選擇其他無公害型材料，既減少環境污染，又有益于人體健康。熱處理技術是當前機械材料來提高材料使用性能及壽命，但這種技術不僅污染環境，還會加大能耗，因此，要盡量選擇能夠用熱軋或冷拔狀態進行處理后，就能發揮使用性能的材料。在不能避免使用熱處理技術時，盡量選擇熱處理程序更少的材料，如使用低淬透性鋼制造齒輪時，可以實現穿透性加熱，冷卻后，表面就會淬硬。

5、可循環利用型材料的選擇和應用

機械設計中多使用金屬材料，在設計中，對不同零件往往需要根據其使用性能綜合使用金屬材料，為滿足零件性能，將這些材料混合加工為合金材料，從而滿足使用需求。這種使用方式對機械報廢后的回收難度和回收成本都有很大的影響。為提高材料報廢后的廢物資源化，機械設計時，要盡量選擇可循環利用的材料，單一合金或者金屬種類較少的合金材料是更科學的選擇，材料循環利用的可能性也更高。

3 結語

機械設計中材料的選擇和應用要綜合考慮各種因素，確保機械設計能夠滿足設計標準及使用要求。還要滿足當前環境保護的發展趨勢，確保選材的環保性、可循環性、無害性，促進機械設計行業的可持續發展。

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