機(jī)械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用

王立才

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

1 材料選擇及應(yīng)用對機(jī)械設(shè)計的意義

自改革開放以來，我國的工業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展，社會和市場對于大型機(jī)械和專業(yè)機(jī)械的需求量與日俱增，機(jī)械的大規(guī)模量產(chǎn)使得機(jī)械制造材料資源緊缺，面對日益擴(kuò)大的需求市場材料供應(yīng)問題日漸突出，如何協(xié)調(diào)有限的資源與總量已不斷擴(kuò)大的社會總需求之間的關(guān)系成為了考驗(yàn)材料學(xué)工作者的一個重要課題。隨著能夠用于機(jī)械制造的材料儲存總量不斷減少，材料供需問題成為了影響機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要因素，如果在未來不能很好地解決材料供應(yīng)問題，那么就會造成機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對壓縮材料的局面，過去受限于技術(shù)發(fā)展水平的限制，我們一直沒有找到解決的方案，直到材料學(xué)在近幾十年的突飛猛進(jìn)，使我們看到了一個能夠扭轉(zhuǎn)材料共性問題的解決方案，那就是通過選擇更加適應(yīng)來替代傳統(tǒng)的機(jī)械材料，讓材料能夠幫助機(jī)械保持更穩(wěn)定的工作狀態(tài)和更長久的使用壽命。隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)了更多適合的材料來替代過去的傳統(tǒng)機(jī)械制造材料，使得機(jī)械制造的材料來源渠道變得更加多元化。同時，在材料學(xué)的不斷探索下，越來越多材料的潛力被挖掘出來，研究人員發(fā)現(xiàn)了其適應(yīng)于特殊使用環(huán)境和使用需求的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷地挖掘。除此之外，節(jié)能環(huán)保的概念也在不斷滲透進(jìn)入機(jī)械設(shè)計和生產(chǎn)行業(yè)。一些傳統(tǒng)材料由于開采和加工的過程不適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的需求，因此就面臨著在未來必須有所替代的局面。新型材料在開發(fā)之初就已經(jīng)考慮了這些問題，盡可能減少開采和生產(chǎn)過程中所造成的各類環(huán)境影響問題，所以他們具備更加廣泛的應(yīng)用空間。而且對于材料生產(chǎn)企業(yè)而言，如果在現(xiàn)有的過渡階段沒有抓住機(jī)會及時調(diào)整產(chǎn)業(yè)類型，無法對新型材料有足夠的認(rèn)識和生產(chǎn)能力，那么在日后面對完全由節(jié)能環(huán)保材料為主要組成部分的材料競爭，就更沒有市場競爭能力。所以對于企業(yè)而言，材料學(xué)的發(fā)展，幫助企業(yè)獲取了在市場競爭中取得一席之地的資本。對于社會來講，一些高能耗、高污染的材料，必然會被歷史淘汰。而對于個人來講，材料學(xué)的發(fā)展，使得材料在使用過程中，對于環(huán)境、使用者和人體的影響程度都會被控制，這樣一來能夠使得材料的應(yīng)用更加安全可靠。

2 常見的機(jī)械設(shè)計材料

2.1 金屬材料

金屬材料是機(jī)械設(shè)計的，由于機(jī)械具備高強(qiáng)度特點(diǎn)，特別適合在機(jī)械內(nèi)部承擔(dān)連接、轉(zhuǎn)軸、受力等功能。目前機(jī)械設(shè)計中，90%以上的材料都是金屬材料。金屬材料在自然界中埋藏范圍廣泛，但總量不大，對其進(jìn)行開采后，還需要有特定的加工步驟，才能夠使其具備操作使用功能。我國目前使用數(shù)量最大的金屬材料為鋼和鐵，我國的鋼鐵產(chǎn)量常年位居世界首位，鋼鐵具備高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，特別適合用于機(jī)械制作材料。另一方面，由于我國鋼鐵產(chǎn)量長期穩(wěn)居世界第1，部分地區(qū)的鋼鐵甚至出現(xiàn)嚴(yán)重過剩，這使得鋼鐵材料在我國的整體采購成本不高，適合大批量采購。另一方面我國鋼鐵產(chǎn)量如此巨大，使得鋼鐵材料的供應(yīng)非常充足，不需要考慮過多材料短缺的問題。但從另一個方面來講，鋼鐵材料的生產(chǎn)又是典型的高能耗，高污染行業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)過程中需要耗費(fèi)大量的煤炭資源、水資源，并且生產(chǎn)過程還會排放廢氣、碎渣、廢水，未來鋼鐵材料可能仍然會成為機(jī)械設(shè)計的主要組成材料，但是鋼鐵材料自身也一定會面臨一次徹底的變革，將其開采方式、加工方式、使用方式，處理方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得鋼鐵材料在使用過程中能夠與環(huán)境之間保持互不影響的狀態(tài)。

2.2 高分子材料

高分子材料是新時代在科技發(fā)展影響下產(chǎn)生的新型材料，塑料、橡膠、合成纖維都是典型的高分子復(fù)合材料。這類材料的特點(diǎn)在于自然界中沒有天然的相關(guān)成品出現(xiàn)，其原材料又大部分來自于石油。高分子材料雖然沒有鋼鐵材料那樣的強(qiáng)度，但是也具備一些獨(dú)有的優(yōu)勢。目前高分子材料與金屬材料，無機(jī)非金屬材料作為重要的機(jī)械設(shè)計材料普遍存在于各類機(jī)械設(shè)計生產(chǎn)場景中。高分子材料的產(chǎn)生，使得機(jī)械生產(chǎn)的材料來源進(jìn)一步拓展，并且在一些特定的使用需求中有剩余金屬材料的特性。但高分子材料中例如塑料材料雖然具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用空間，但是由于自身在自然界中難以進(jìn)行降解，所以對于塑料材料如何進(jìn)行處理，一直是一個困擾材料學(xué)研究者的問題。塑料在自然環(huán)境中想要完成完全的降解，需要百萬年的時間，在這樣的過程中，它會持續(xù)影響到周圍的自然環(huán)境，當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定程度時，就會超過自然界的最大承載能力，造成嚴(yán)重的生態(tài)污染情況。機(jī)械設(shè)備在未來仍然會有很大的發(fā)展空間和需求量，以塑料為代表的高分子材料，在未來的發(fā)展過程中該進(jìn)行如何改變，成為了所有關(guān)心材料學(xué)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)問題人的共同關(guān)注問題。

2.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，由于其在某些特殊環(huán)境或特殊功能上具有絕對的優(yōu)勢，所以近些年在一些特種設(shè)備制作過程中傾向于使用復(fù)合材料。目前廣泛存在的復(fù)合材料，一般都表現(xiàn)出自重較輕、耐久性強(qiáng)，耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)。對于傳動軸類使用過程中需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，耐受高溫高速摩擦的環(huán)境使用復(fù)合材料能夠有效提升轉(zhuǎn)動軸設(shè)備的使用壽命和工作穩(wěn)定性，因此，在目前通用的傳動軸材料選用上，都會把復(fù)合材料作為首選。雖然材料對于設(shè)備構(gòu)建的使用性能和生命周期具有一定的影響，但是具體的效果和使用功能還需要根據(jù)具體的使用環(huán)境、使用對象、使用特點(diǎn)和使用場景來進(jìn)行區(qū)分。復(fù)合材料與鋼材料相比，其最大的特點(diǎn)在于自重較輕，所以可以有效地減少整個設(shè)備的自重，使得設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到小型化、輕量化的發(fā)展目標(biāo)。對于機(jī)械運(yùn)動而言，傳動軸是至關(guān)重要的軸體，但傳動軸自身如果自重較大就會影響到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分配，同時對于整個機(jī)械的荷載控制也會造成影響。除此之外，復(fù)合材料還具有耐腐蝕性、耐磨損、耐高溫的性能，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動軸環(huán)境內(nèi)，高溫和摩擦是造成傳動軸設(shè)備使用壽命降低的一個重要影響，通過對復(fù)合材料這一優(yōu)勢的發(fā)揮，可以很大程度地提高復(fù)合材料制成的傳動軸的使用壽命和工作穩(wěn)定狀態(tài)。讓此類材料所制作的傳動軸在運(yùn)行過程中能夠更加安靜穩(wěn)定，避免出現(xiàn)大量噪音或擾動的情況。

3 機(jī)械設(shè)計材料選擇及應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1 經(jīng)濟(jì)性

對于機(jī)械生產(chǎn)負(fù)責(zé)人而言，大批量采購?fù)愋筒牧暇捅厝灰紤]到材料的采購成本，如果對采購成本不加以控制，那么積累龐大的數(shù)量之后，其成本控制會成為一個非常大的問題。機(jī)械設(shè)計者不僅要考慮到機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)，還要考慮到支撐這些功能實(shí)現(xiàn)的材料使用情況，不同的材料采購價格不同，合理的搭配方式，在必要的區(qū)域設(shè)置和添加足額的相應(yīng)材料，而在其它區(qū)域則選擇更加經(jīng)濟(jì)合理的方案是控制材料成本的有效手段。

3.2 環(huán)保

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械中大部分機(jī)械設(shè)備材料在開采和生產(chǎn)過程中都伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。隨著社會總體對于環(huán)境保護(hù)概念的重視以及對身邊自然環(huán)境的關(guān)注，材料生產(chǎn)和材料投用必須要考慮到是否會對周圍的環(huán)境造成負(fù)擔(dān)，會不會造成環(huán)境污染問題。新型材料在設(shè)計之初考慮到了這方面的顧慮，所以新型材料在環(huán)保上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，但是新型材料并不能完全替代傳統(tǒng)機(jī)械加工材料，那么如何控制傳統(tǒng)材料的用量和規(guī)模，就成為了考驗(yàn)機(jī)械設(shè)計者專業(yè)能力和總體控制水準(zhǔn)的地方。

3.3 機(jī)械性能

機(jī)械性能的實(shí)現(xiàn)要依靠專門的材料才能完成，不同材料會承擔(dān)著不同機(jī)械功能實(shí)現(xiàn)的需求，因此在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計時，必須要挖掘材料潛力，采用最合適的材料，以提升機(jī)械性能。

4 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計需要投入大量的材料，而每一種材料在開采和生產(chǎn)的過程中都有不同的工藝，一些材料在開采中會造成環(huán)境的污染，而一些材料在使用之后對其進(jìn)行處理又非常困難。從業(yè)人員必須熟練掌握不同材料的使用性能，并對機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能性需求有所了解，在此基礎(chǔ)上才能夠完成機(jī)械設(shè)備的設(shè)計。