機械設計中的材料選擇及應用研究

石磊

摘 要：機械設計中，工藝、工序很重要，原材料的優選一樣重要，畢竟機械是由材料組成的，機械性能發揮程度也和材料性能、質量有關。在機械設計中，經常會使用一些稀少材料，這些原材料數量有限，一旦缺乏，機械設計將無法進行下去，所以還要多研究一些可代替可再生的原材料，另外原材料要具有適用性強的特點，使材料可以應用在各種機械中。材料在應用中，還要注意材料本身的環保性，使設計好的機械在運行時，不會對環境產生污染。

關鍵詞：機械設計；材料；選擇；應用；

材料選擇是機械設計和應用的基礎工作，相關人員要遵循一定的原則來選擇各種性質的材料，在選擇和應用中，還要著重關注一些小細節問題，比如材料的節能環保要求之間是否協調統一，適用性與經濟性之間是否統一等。本文主要針對機械設計中的材料選擇及應用進行研究。

一.機械設計中材料的選擇

1、對材料載荷種類進行選擇

機械內部許多零部件在組成機械整體的同時，還要承擔來自外界或內部環境帶來的荷載，只有這些零件具有一定的承載能力，零件在負荷運行中，才不會隨意報廢，或在短時間內過度疲勞，導致整個機械設備都無法工作[1]。這些荷載并不能被零件性能所抵消。在實際中，外荷載存在是必然的，外荷載存在對機械造成的變形等后果也是必然要發生的，要使機械保持穩定，還要在選擇材料時，注意使材料總力與荷載水平成為選擇標準。使前者能對后者起到抵消作用，在機械設計中，經常會選擇材料加工方式來使材料表面總體性能提升，這樣的加工方式有碳鋼調質以及低碳鋼滲碳。相關人員還要注意選擇各方面性能比較均勻的材料，使荷載影響能在零部件截面處實現合理抵消，這種零部件發生拉伸、壓縮等作用時，材料也不易變形報廢。

2、選擇表面處理技術合理的金屬材料

一些機械設備的工作環境很惡劣，長期工作，會使機械設備表面不再保持光滑，在磨損和腐蝕中，材料表面也不能完好無損，所以還要在設計環節中，就對材料表面進行硬化處理設計。滲碳技術和淡化技術是常見的金屬材料表面硬化技術，前者將滲碳爐作為處理環境，先對鋼材的含碳量進行測量，該數值應該是小的，對其進行碳增加操作，碳含量升高到一定數值后，使其處于淬火環境中，在該環境中，材料表面的硬度會慢慢增大，但組織結構還是處于不穩定狀態，材料本身還會存在一定應力，影響材料的穩定性，所以還要將其取出，放入低溫環境中，對其進行回火，材料本身的耐磨性和耐腐蝕性最終會符合設計要求。零部件進行表面處理時，經常會借助滲碳鋼來硬化表面，滲碳鋼材料數量的選擇要與零部件規模等相適應，要提高滲碳技術的利用效率，使最少的材料達到最好的表面硬化處理效果[2]。零件截面面積和重量不同，選擇的滲碳鋼型號也不同，在設計時，還要參考具體的情況。滲碳鋼在零部件表面滲入的深度是不同的，可根據零部件在實際中的應用情況來設計深度。如果要在短時間內使用該零部件，還要注意使滲碳深度小一些，如此在短時間內，滲碳時間也可以得到保證。

3、對碳素鋼和合金鋼材料的選擇

碳素鋼易被加工成各種形狀，所以在機械設計中，經常會選擇該材料，這說明碳素鋼的優勢還是要多于劣勢的，但在具體的應用中，這些劣勢還應得到解決。碳素鋼的劣勢是強度小，韌性差，這意味著將碳素鋼制作成機械零部件，對其進行淬透操作，體積比較大的碳素鋼零件淬透效果差，在承載一定的外部荷載后，本身容易發生折斷問題。在材料應用中，經常采用在碳素鋼中添加合金元素的方式來彌補碳素鋼的缺陷，合金元素本身結構要比碳素鋼穩定，在強度和韌性上也比較強，以綜合性比較強的合金鋼代替單一的碳素鋼，零件老化現象會延遲，材料被磨損的程度也不會太嚴重。合金元素性能優勢很多，在一定范圍內，合金鋼性能發揮程度與合金元素量是呈正比的，這些性能加持，使得零件在高溫腐蝕性環境中也能正常工作。合金鋼應用范圍雖然受到限制，但應用性強，及時將這種材料制成的零件置于多荷載環境中，零件也不會老化[3]。合金鋼對淬火工藝的適用性很好，操作人員在對淬火工藝掌握程度不好時，或機械零件容易變形時，也會使用這種材料。在這種做法中，零件材料的應用效率會高一些，這就避免了其他材料的浪費，零件的質量也可以得到保證。

4、選擇無污染材料

在機械制作中，有些材料屬于污染性材料，有的是在生產過程中，產生對環境對人體有害的物質，有的則是生產完畢，在成品應用中釋放污染。在機械設計中，相關人員就應選擇無污染，對人體無害的材料。比如一些合金元素中，會存在很多六價鉻離子等，這些都會對人體造成危害，這些合金元素應被篩選出去。即使在組裝機械時，出現這些材料，也不應使用，要做好妥善處理，不能隨意填埋處理，畢竟很多元素具有溶水性，做好妥善處理，人體安全和環境才不會受到威脅。

5、選擇可重復利用材料

機械有時報廢后，有些零部件材料還可以應用，在其他的材料選擇時，也會遇到一些二次材料，這些材料雖然是回收利用，但在質量和性能上還未到達使用期限，所以相關人員要做好處理，使這些二次可利用材料應用到最合適的設計中，使金屬材料最大程度實現循環利用[4]。將回收的金屬材料中組員最少的合金材料作為設計選擇材料，這種材料無論在維持生態環境平衡上還是在零件性能提升上都有幫助，相關人員要做好安排。

二.機械設計中材料應用

1、經濟與適用性相一致

選擇合適的材料后，還要注意使材料應用合理，這種合理性可以表現為經濟適用性相一致，體現出材料最大的性價比，如此零件制造商不僅可以節約成本，減少對環境造成的負擔，還可以增加收益，保證零件質量和機械質量，與此同時，零件還能與整個機械運轉狀況相適應。材料應用中，主要對加工工藝進行高要求，使零件在各方面都符合標準。所以材料的熱處理、焊接、切削加工等過程都要接受監督，并且材料在每個工藝過程中，都要展現出良好的性能，比如在熱處理過程中，材料要表現出流動性和耐溫性、淬透性，在焊接過程中，材料要保持沖壓性和冷鐓性。在切削過程中，還要注意材料本身的硬度要合格。在材料制作成零件的過程中，要注意對材料的使用量進行控制，使其在符合標準的同時符合成本節約理念。此外機械材料應用的適應性和經濟性，還應和機械生產總過程結合起來，使工藝路線都合格。

2、節能與環保性相一致

機械材料的節能與環保性本身就是協調相統一的，相關人員在機械設計中，還應注意材料的這一統一性[5]。畢竟生產原材料并不是用之不盡，取之不竭的，相關人員還要對一些珍稀材料的復制品和可代替品進行研究，在材料制作加工的過程中，相關人員還應注意生產環節不會消耗太多的電能或其他能源，原材料消耗也要有限，同時生產環節也應對環境保持無污染性。

結語

機械設計中材料種類繁多，材料性質和性能也多有不同，相關人員要按照擇優原則選擇材料，在遇到缺陷性材料時，還應采取各種技術做好改善工作。材料在應用時，要使材料符合經濟適用、環保、節能原則。如此機械材料應用才會與現可持續發展理念相符合。

參考文獻：

[1]呂玉磊.機械設計中的材料的選擇和應用分析[J].江西建材，2015（22）：259-260.

[2]應倩夢.機械設計中的材料選擇及應用探討[J].科技視界，2015（21）：148.

[3]池占山.機械設計中的材料選擇及應用探討[J].中國高新技術企業，2015（21）：17-18.

[4]周旭妮，周陽.機械設計中的材料選擇和應用探討[J].硅谷，2015，8（02）：146-147.

[5]孫勇.機械設計中的材料選擇及應用研究[J].科技創新與應用，2014（34）：128.