金屬材料在機械設計中的選擇與應用

耿在丹

（鄭州工程技術學院開放教育學院，河南 鄭州 450000）

機械設計，是機械制造的基礎性工作。關于材料的選擇，在機械制造過程中非常重要，因為金屬材料有它自身的優缺點，所以，在設計過程中，依據材料自身的優缺點加以選擇，揚長避短，確保達到最好的機械使用效果。隨著對機械的需求量逐漸加大，材料短缺的情況在機械加工業中日益明顯。在此現狀下，更要審慎嚴謹的選擇金屬材料，保證所選材料的經濟實用性、環境友好性、適用方便性等，實現機械行業的健康發展。

1 選擇材料的基本原則

1.1 材料的經濟環保性能

經濟、綠色環保、可持續發展，良好的生態環境是每個行業健康發展的基本前提。同時，經濟效益也是機械制造企業追求的目標，選擇性價比較高的材料，可以縮減成本，為企業帶來更多的利益。因此，在選擇材料時，要充分考量各種因素。例如，包括所選材料的供給狀況、所選材料加工的難易程度、材料的轉化率、材料價格的高低及獲取的難易等，最大限度為企業降低生產成本。

1.2 載荷力的大小和荷載力性質

荷載力大小和荷載性質，在機械設計中非常重要，材料的荷載力和可塑性優良，就能保障機械使用過程中性能優良。設計師在機械設計過程中想要保證后期機械的使用效果，避免由于所選材料的荷載水平差而引起的使用受抑制或使用失效的種種不良反應，就必須認真審慎的對材料加以判斷、選擇。所以，在機械設計中，應對材料進行評估，如有需要還要對其進行調質、滲碳、氮化技術等處理。]

1.3 零件的尺寸與質量

機械制造幾乎是一個要求零容錯率的行業，在零部件生產制造過程中，可能會因為不當選材，使一些金屬材質部件質量、尺寸不合格，造成資源浪費，給企業經濟發展造成重大損失，因此，選擇材料一定要格外謹慎，要認真細致地全面考量，仔細甄別。

1.4 特殊的工作環境

因為對各個機械組成部分所處的工作環境要求不同，因此，對不同功能金屬材料的選擇尤為重要。通常需要考慮以下幾個因素：第一，溫度因素。金屬會隨溫度的變化而發生熱脹冷縮。但金屬體積隨溫度變化的幅度不同，膨脹系數也各不相同。所以，在選擇材料時要綜合考量多重因素。第二，環境的濕度及對金屬的腐蝕性。有些零件必須在具有高度腐蝕性的環境中工作，加之潮濕的環境，這些條件只有那些具有很好的防腐蝕、防銹性能優良的金屬材料才適合。第三，金屬的耐磨性。零件磨損在作業過程中是不可避免的，硬度大、耐磨性好的金屬物質可以延長產品的使用壽命，隨著焊接、熱噴涂技術的發展，零件也可以進一步加工使性能達到最佳，使用壽命的延長為企業節省大量生產成本，帶來更高的經濟效益。

1.5 零件結構的復雜程度及材料的加工性能

金屬零部件結構的復雜程度、金屬材料的加工性能是否符合要求，是在機械設計中必須要考慮到的因素。相對復雜的零部件需要進一步采取技術加工手段，例如板材沖壓元件、焊接等；相對金屬材料的加工性能而言，主要考驗材料本身的沖壓切削能力、鑄造焊接性能等。不能通過以上檢測的金屬材料，自然應被淘汰。

1.6 材料的可循環使用性

機械設計中，常將若干種金屬混為合金以達到某種預期效果，然而一旦機械報廢，合金的回收成本和難度遠遠高于純金屬材料，浪費了大量資源。要想實現資源的合理化運動，選擇金屬材料時，要盡量選擇組成元素越少越好的合金。

1.7 材料的無害化

含有鎳、鉛、鉻等元素的金屬材料對人體健康會產生一些危害，在對其加工的過程中，廢棄物的排到也會造成空氣污染，機械設計是為了造福人類，對人類身心健康、對環境有污染的材料應最大限度減少使用。

2 經濟適用性

金屬材料具有適用性，是指材料自身所具有特性能在設備使用時很好的發揮出來，經濟性是指選擇材料實惠適用，性價比高。

例如，在碳素鋼中加入一定量的合金元素，就彌補了其自身的不足，增大了材料的硬度，增強了其韌性。合成材料的耐高溫性能、耐腐蝕性能及耐磨損性也都大大改善，在機械設計中選擇這種合成型材料，其經濟適用性能便大幅提高。

同時，對不同材料的加工應采取不同的制造工藝。例如，流動性好、收縮吸氣性強的材料適合鑄造生產工藝；沖壓性好及具有冷鎖性的材料適合焊接生產；熱處理加工工藝適合具有符合淬透性標準、氧化脫碳及熱敏感等相關性能要求的材料；切削加工要求金屬材料具有切削作業的可操作性。材料應用的經濟性也必須考慮，價格便宜、容易得到及各項成本較低的材料應該成為首選。

3 環保節能性

3.1 選擇加工過程中污染少、能耗低的材料

要認真貫徹落實可持續發展理念，材料的選擇，盡量避免那些在加工過程中產生大量廢氣、廢料的材料，以最大限度降低環境污染和資源浪費。材料在進行熱處理工藝加工后性能會有所提高，材料的使用壽命也會有所延長，但熱處理工藝加工過程污染環境嚴重，消耗大量能源。所以，應盡量避免使用需要熱處理的材料。當然，無法避免需要采用熱處理材料時，也要盡量選擇需要熱處理工序少的材料，減少能量的消耗，降低對環境的污染。

3.2 選擇可回收再生性材料

機械設計中材料的應用尤為重要，材料的選擇應減少產品上所用材料的種類，首選那些可再生、可回收、易降解、無污染無害且于環境兼容性較強的材料。機械的使用過程必定會有磨損、報廢，而報廢后的資源回收問題也是機械設計中材料應用需要充分考慮的問題。廢棄的資源得不到回收，不僅是對資源的極大浪費，而且會污染環境，更為嚴重的會危害人的身體健康。設計過程中，在保證零件優良性能的基礎上，應減少產品中材料元素的種類，這種材料有利于廢棄后回收利用，回收成本較低。盡量不要采用如橡膠與金屬混合或者粘合類的設計。

3.3 優先選擇新型安全材料

一些傳統的物質材料在加工制造過程中會產生有害物質，對人體和自然環境造成嚴重危害。所以，要盡量少的使用這類物質。在能滿足設計要求的條件下，要勇敢嘗試探索新型材料代替傳統的金屬材料。例如，可采用金屬泡沫，因為金屬泡沫不能燃燒，能夠再循環利用，是對環境和人體都是無毒無害的材料。同時，機械零部件在運作過程中必不可少會發生磨損，使用性能下降，零件損壞，達不到預期的使用要求。

所以，選擇材料時，要充分考慮到零件的時效性，通過多次實驗選擇合適的材料，提高使用率。同時，材料選擇的無害化也是我們必須關注的問題。

4 結語

機械設計行業在促進國民經濟發展、工業現代化進程中發揮著重大作用，合理選擇材料并適當應用于機械設計環節，尤為重要。一方面要保證所選材料滿足設計加工的要求，另一方面，注重材料應用的經濟適用性，只有堅持可持續發展的道路，機械制造業才能更好更快發展。