機械設計中材料的選擇和應用分析

李軍　劉龍龍　楊超

摘 要：近年來，我國現代化工業水平不斷提高，機械設計技術取得了跨越式發展，從事機械技術研究的人員也在日益增多。在機械行業快速發展的進程中，機械制造材料的浪費現象也更加嚴重，并且機械設計也面臨著稀缺材料嚴重短缺的現狀，現有的機械材料不能滿足現代機械水平的要求。對新型材料的研發工作，已經迫在眉睫。本文主要從經濟、環保和可持續等方面對機械材料進行了分析，并提出了機械設計中材料選擇的幾點建議。

關鍵詞：機械設計；新材料；經濟；可持續

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.034

0 引言

隨著我國經濟技術的發展，各行各業對機械化的需求不斷擴大，工業已經成為社會發展的重要基石，機械設計對工業技術發展具有舉足輕重的作用。在我國以國民經濟為主導的背景下，機械設計水平的不斷進步，給我國經濟發展提供了有力的保障。對于機械制造的稀缺材料，必須合理選擇、充分利用，避免出現材料浪費的現象，機械結構的設計要從整體上考慮，對其實現的預期功能做出準確分析，最大限度的做到節省貴重原材料，滿足機械加工對原材料的需求。

1 機械設計材料選擇與應用的注意事項

1.1 機械材料的價格

機械設計人員在對機械材料的選擇時，要充分考慮材料的經濟性和耐用性。對設計方案確定之前，要充分考慮機械加工制造過程中的鑄造溫度、加工工藝，裝配順序和焊接時間等因素，根據機械用途合理選擇機械材料，當材料具有同樣的性能時，盡量選用價格低質量輕的材料，可以在很大程度上發掘材料的利用價值。在機械加工過程中必須保證材料滿足吸氣、收縮、抗彎和流動的要求。在鍛造加工過程中需要材料具有較強的抗磨性、鍛造性、穩定性和成品冷卻性，在對材料焊接時，需要選擇的材料具有適用性和可塑性。各種類型的機械加工材料都具有各自不同的特性，嚴格按照加工工藝要求，根據工藝需求材料的特殊特性，科學的選擇加工原材料。當選擇的機械設計材料滿足適用性的要求后，還需要依據機械工程預算方案，選擇具有良好經濟性能的材料。在整個機械設計中盡量多選擇可循環利用的材料，減少加工原資源的消耗，降低整體機械設計成本，實現經濟效益的最大化。

1.2 機械材料的環保性

隨著經濟水平的提高，科學技術不斷發展，資源的浪費問題愈加突出，嚴重阻礙了資源節約型社會的建設，環境保護早已成為社會關注的熱點話題。資源消耗是環境保護問題中的中心環節，是社會的可持續性發展策略實施的關鍵一步。因此，在我國的機械化程度不斷提高的進程中，機械設計選材必須遵守節能和環保的原則。機械設計人員需要貫徹落實國家提出的可持續發展戰略，在設計過程中選用節能、無污染的工程材料，在滿足機械性能要求的前提下，優化機械結構設計，提高不可再生資源的利用率，推動機械行業和環保建設共同發展。

1.3 原材料的可持續性

在機械設計的選材工作中，要符合可持續性發展策略的要求，從設計整體性出發，運用先進的科學技術，使材料的性能得到充分利用，根據材料的自身特性，合理選擇原材料，避免出現材料性能利用率不高的現象。

2 材料的種類與應用領域

2.1 合理選擇機械材料

在機械設計材料選擇時，要從材料的實用性能入手，在機械設計中，材料的使用通常需要按照加工工藝要求，通過鑄造、焊接、磨削、冷處理等手段進行。由于相關工藝標準的不同，對材料特性的要求也不一樣，對于不同工藝流程，必須在保證加工需求的前提下，保證各部件的加工符合功能需求。加工機械的各組成零件時，要充分考慮原材料的伸縮度與抗彎性能，同時還要使加工后的零件滿足整體要求，要根據不同材料的特征，使其滿足各零件正確的裝配要求，合理選擇符合工藝要求的材料。

2.2 機械設計中的載荷類型

機械裝備的加工進程中，設備也許會出現失效現象，此時應該冷靜分析加工流程，及時找出失效現象發生的原因，當機械運行狀態時，也有可能出現抑制失效的現象，此類情況是由于材料的負荷能力不同，當出現同樣的壓力載荷時，載荷能力較差的零件會提前被破壞，從而影響與其關聯的零件正常工作。為了保證機械設備可以正常運轉，零部件的加工材料，必須滿足承受載荷的要求，根據材料的荷載能力，優先選擇承受荷載能力較強的原材料。

2.3 機械材料的消耗

機械材料的消耗問題，已經成為社會關注的焦點問題，正確的機械設計，必須滿足可持續性發展的要求，要優先選用能耗低、環保的加工材料，在對材料加工處理的方法上，要采用環保的加工方法。機械的熱處理加工，會降低機械材料的使用年限，材料性能也會受到很大影響，并且該加工方式還是對空氣環境造成嚴重破壞。因此要減少熱處理加工方式的使用，盡可能采用冷處理的加工方法，發揮出材料最大的性能。當必須采用熱處理加工方法時，要簡化加工過程，縮短加工時間，把對材料的影響和環境的污染降到最低。

2.4 材料中的有害成分

在機械設計加工中，大量的材料中存在危險元素，最常見的有 Ni元素。該類元素會給環境帶來嚴重的污染，還會對人體帶來不可逆的傷害。因此在機械設計選材時，要重視對材料的檢驗，防止有害材料被混入。

隨著能源的逐漸消耗，能源短缺問題也愈加嚴重，嚴重限制了機械化程度的進一步發展。鋼材是機械設計中使用比較普遍的材料，由于其種類繁多，在制造的過程中相互混合，給回收工作造成了不便。

3 總結

隨著科學技術的發展，我國工業水平逐漸提升，面對環境污染和能源短缺的挑戰，在機械設計過程中，要合理對材料進行選擇與應用，在滿足機械設計要求的前提下，充分考慮材料的特征、環保性，經濟性。嚴格把控材料的選擇，防止有毒材料混入，把機械材料的消耗浪費降到最低，繼續堅持可持續發展道路，實現機械行業新的發展。

參考文獻：

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作者簡介：李軍（1985-），男，山東昌樂人，本科，助理工程師；研究方向：機械設計。