機械設計中如何做好材料選擇及應用

摘 要：如何選取適合的材料以及如何使用都屬于機械設計里面最為關鍵的內容之一，所以只有正確選取到合適的材料以及合理地使用才能保證設計出來的產品具有一定程度的性能要求，因此就要求相關設計者需要仔細考慮，以使得材料能夠正確的選取。本文所討論的內容為跟機械材料有關的部分內容，并且對于在機械設計時如何選取正確的材料作出分析，為個人或者團體的研究提供一些幫助。

關鍵詞：機械設計；機械材料；選擇；應用

這些年，中國在機械制造這個方面所取得的進步是非常大的，對中國推進工業化的發展起到了很大的作用。一般人都知曉，在進行機械制造的時候，需要考慮的東西有很多，在其中，機械設計是非常重要的一個內容，關系到整個機械產品的制造難易程度以及性能高低，而如何選取機械材料又是機械設計這一內容中的關鍵，一直都被機械行業中的人員所注重。

一、機械設計選取較多的材料分析

在分析整個機械材料的時候，如果對其進行較為粗略的分類，就能夠分成金屬材料和非金屬材料，再討論各類中含有的材料類型，一般而言金屬材料是包括有鑄鐵、鋼、銅合金等幾類，非金屬就包括有高分子材料、陶瓷、復合材料等幾類。因為它們的性能優秀，以上所列舉的材料都是被大量應用到機械設計之中。

（一）金屬材料

鑄鐵有著較好的液態流動性，并且熔點也較低，能夠很容易進行切削加工，其所具有的耐磨性以及減震性也很優良，所以經常被拿來制造各類型的零件，有時候比較復雜的零件業能夠使用其來制造。其的分類是根據鑄鐵中所含碳的形式，能夠分成灰口鑄鐵、球墨鑄鐵兩類。其中灰口鑄鐵中含有的碳的形式是片狀石墨，所以其能夠具有較好的塑性以及鑄造性能。在使用時經常對其進行熱處理，通常是進行表面淬火、高溫退火、去應力退火來處理，以此來提升其相應的性能，鑄造優秀的產品。球墨鑄鐵相比灰口鑄鐵擁有更好的塑性以及強度，所以其熱處理的常用方法是淬火+回火、正火、退火。

在進行機械設計時對鋼的使用非常多的，根據鋼中所具有的化學元素來進行分類，可以分成碳素鋼和合金鋼兩種。碳素鋼具有很多的優秀的性能，并且價格較為便宜，產量也很多。

在進行機械設計的時候，有可能要求高碳鋼性具有更優秀的性能，這時最為常見的做法就是向高碳鋼中加入其他的特殊元素，以此來生成合金鋼。最后有些研究表明。合金鋼所具有的性能不僅僅受到其加入元素的影響，而且還和使用的熱處理方法有著較大關聯。

銅合金劃分成黃銅、軸承、青銅合金等幾個種類，它們都有著非常好的液體流動性以及塑性，并且青銅合金擁有較強的抗腐蝕性以及使用壽命長的優點，使得其在很多的設計中都被采用。

（二）非金屬材料

高分子材料有很多，但是其中最為人熟悉的還是塑料以及橡膠，這兩類在我們的生活中隨處可見，塑料所具有的特點是材料質量較輕，所以容易制造出復雜的零件，不過塑料本身所具有的性能不是很好。橡膠所具有的特點是有較強的彈性，能吸收力，所以經常被用來制作減震器、聯軸器的彈性器件。

陶瓷材料不容易發生化反應，并且耐熱硬度高，能夠用來制作刀具、磨具等等器件，有著很好的發展潛力。

復合材料能夠很好的補充高分子材料、陶瓷材料所具有的缺點，擁有較強的耐磨性、緩沖性、抗疲勞性。但是因為其價格較高。所以常常只能用在制作較為重要的領域之中，民用比較少，但是因為科技的進步，其成本在不斷降低，未來其的發展潛力也是很大的。

二、機械設計中材料的選取和使用方法

通過對機械設計中常見材料的學習后，為了使所設計的部件符合需要，相關設計者還必須做到以下幾點：

（一）確定機械設計需求

為了使得設計中采取的材料能夠合適，相關的設計者就得確定其設計部件的需求，這樣才能分析設計中需要注意的關鍵，使得設計能夠的完成，所以就需要注意下面幾點：

第一點，需要知道設計的零件應該發揮怎樣的作用。作用要求不一樣，性能追求不同，設計的材料需求也不同。所以，設計者就必須了解零件的用處，思考零件需要滿足的要求，再來比較不一樣的材料是否能夠適用。某些情況之下，還必須對零件進行模擬使用，這樣才能得到接近真實工作狀態下零件所受到的各種力的影響，最后選取能夠滿足需求的材料。第二點，材料的使用需要有一定的預算。雖然所使用的材料性能是越高越好，但是因為要獲取最大得到經濟效益，就得考慮成本了，因此在滿足性能需求的情況下，還需要對材料的價格、自身加工成等等都需要考慮，選擇最優方案。

（二）做好材料性能研究

機械材料性能會對用其制造出來的零件性能以及使用時間長短都會帶來根本的影響，所以在進行機械設計的時候一定要做好材料性能研究，詳細內容如下：

第一點，對材料進行物理性能研究。物理性能實際上就是材料的導熱性、導電性、熔點以及密度等，這就需要設計者根據零件工作的環境來選取合適的材料，然后就是研究制造時所需要完成的工藝步驟，最后選擇加工簡單的材料。比如，如果零件要求質量盡量小，就可以選擇鋁、鎂等密度小的材料。第二點，就是和物理相對的化學研究。化學性能實際上指的是材料的耐腐蝕性、抗氧化性等等。比如，如果所需要涉及的零件工作環境是高溫，為了保證零件的正常使用以及擁有較長的使用壽命就得要求其材料具有較強的抗氧化、耐高溫能力。第三點，做好工藝性能研究。工藝性能實際上就是對材料加工時，材料的加工性能。其將影響制造零件時是否會比較困難，所以，要求設計者做好充足的研究分析，選出最適合的機械材料。

（三）優先合適處理工藝

在零件的制造過程中，未來將零件的性能進行加強，很多時候就得對零件進行一些工藝處理，根據材料所需要處理工藝的難易程度，來制定最合適的加工方法。此處將鋼材料進行熱處理當做例子。鋼的熱處理能夠分成普通熱處理、表面熱處理，普通熱處理所含有的工藝有退火、正火、淬火等，表面熱處理所含有的工藝為滲碳、滲氮、高頻淬火等。舉個例子，一旦處理的材料硬度非常高，進行切削加工的時候就不方便，就需要采取退火處理，來將材料的硬度降低。還有一點，如果材料經過退火或正火之后，其部分性能達不到要求就得對其進行淬火和回火，來保證材料的性能滿足需求。當對零件表面和中心有著不一樣的要求，就可以對其采取表面熱處理工藝。比如，如果零件需要有較高的耐腐蝕性、熱硬性以及高硬度，就能夠對其表面采取氮化處理。如果還需要得到表面的高碳回火馬氏體，但是零件表面是低碳回火馬氏體，這時可以采取鋼的滲碳方法。如果需要零件表面是淬火組織，但是其內部是淬火前組織的時候，就能夠使用高頻淬火這一種方法。總而言之，所需要的性能不一，處理的方法也不一樣，其復雜程度以及過程也有著不同，這就要求設計者進行完美的思考。

三、機械設計中材料的選取與使用過程中需要注意的幾點

（一）經濟性與實用性

材料不僅僅需要具備相當的實用性，還得具有一定的經濟型，這兩個性質都不能夠缺少，反而要相互融合統一，保證零件的性能上做到最大利益化。實用性的含義為，在材料進行制造以及使用的時候，會有著較為積極效果。經濟性的含義是，在能夠實現實用性的條件下，能夠選取價格更加便宜的材料來制造零件。能夠處理好這兩者的關聯是比較困難的，因為不僅僅需要注重產品的性能，還得保證資金的使用；也不可以單純地降低產品的成本，而使得其性能上存在著不足。

（二）可持續性

能夠實現可持續發展，才是一個最好的發展形式。在選取材料上，就得深刻挖掘材料的價值，并且配合國家的相關政策，在使得環境得到保護的前提下，依據發展對零件的需求將材料進行反復利用，保證現在進行的發展不會落后，而且進行發展的時候不會損耗更多的資源，以保證將來的后人也有著充足的資源進行發展。

（三）環保性

因為現在社會為了取得更快的發展，所以只顧著發展經濟，導致地球上的自然環境遭受到的很嚴重的破壞，各地都出現很多的污染。這也提醒了人們需要重視環境的保護，因為人類現在只有在地球上進行生存，如果破壞到無法挽回的地步，這也將會導致人類的毀滅。現在世界各個國家都在發布各種關于保護環境的文案，我們也需要積極配合。在進行材料的選取上就必須保證其具有環保性，為持續性發展以及環境的保護貢獻一份力量。

四、結語

現在，中國的工業正在急速的發展，所以機械設計這一領域將會面臨更嚴格的需求和更多的困難。機械設計這一行業的發展將會帶動現代工業的發展，隨之促進社會經濟急速發展。而作為機械設計中對材料的選取以及使用這一關鍵內容，就需要得到更多的關注，希望能夠提升整個行業的產品質量，并且保證使用最為合適的材料來獲取最大的利益，促進現代經濟的發展。因此，對于材料的實用性以及經濟型一定要把握準確，不能夠偏重其中的一點，導致忽視另一點的重要性。其實最為重要的還是材料使用的環保型以及可持續性，因為短暫地通過犧牲環境來獲取的利益終將是不可取的，所以，只有做好材料選取的這些方面才能夠為我國的機械設計行業帶來更好更久的發展。

參考文獻：

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[2]劉銳.關于機械設計的材料選擇與應用分析[J].科技創新與應用，2016（4）

[3]張軍，黃福敏.淺談機械設計中材料的選擇和應用[J].黑龍江科學，2017，8（6）

作者簡介：

韓志剛（1988-），男，民族：漢族，籍貫： 山東省濰坊市，當前職務：機械設計，當前職稱：助理工程師，學歷：碩士（同等學力），研究方向： 舞臺機械。