試析金屬材料在機械設計中的選擇與應用要點

李滿昌 馬澤群

摘要：金屬材料在機械設計中的地位無與倫比。在機械工業中如何對有限的金屬原材料進行完美的應用對機械工業的發展具有重要的意義。由于金屬材料種類多樣，它們的特性也有很大的不同，只有掌握好這些原材料的分類、性能以及相關應用領域等內容，才能在機械工業設計中發揮最大的作用。本文對此進行了分析。

關鍵詞：金屬材料;機械;設計;優化探究;應用

前言

在科學技術高度發達的今天，要進一步利用科學技術，毫無疑問，傳統的機械需要得到徹底的更新，尤其是金屬材料，因此，在科學技術飛速發展的今天，科學技術的利用必須跟上科學技術的發展步伐，充分利用材料，材料在機械設計中起著比以往更大的作用，使機械系統的設計能夠完成比以往更多的工作，這是對科學技術利用方向的一種改進。

1金屬材料在機械設計中的選擇原則

1.1需要考慮零件的工作環境

在如何選擇金屬材料加工某一確定零件，必然需要對該零件的工作環境進行考慮，例如常見的壓力變化，溫度變化，電導率變化，體積變化等等。壓力變化可能引起零件表面的受力結構受到破壞，溫度變化可能對溫度敏感的材料產生永久損害。又如考慮到機械的實用性，必然不可能是少量次數的使用物品，那這就牽涉到長時間的保存，而金屬材料的保存，面臨的最大問題就是耐腐蝕問題，一種良好的耐腐蝕材料，能長時間的在潮濕環境中保存，然而實用性不只是長時間保存的問題，還有高頻的使用，高次數的使用必然導致出現新的問題，就是磨蝕，機械中的傳動全靠物理接觸，而每一次物理接觸，都是一次極其微小的磨損，在次數極高的運作下，每次微小的磨損疊加后引起的是顯著的金屬結構的變形與破壞，因此，耐磨性必然也是選擇的要點之一。其中任意一項因素的改變都將對該零件產生一定程度上的影響，而這種影響又會逐步傳播到下一步的工作進程中，從而導致整個機械模型受到影響，進而影響到工藝流程等，可見，在考慮機械設計的初步，就是考慮原材料的選取，而如何進行選取原材料，又需要從制作完成后的零件所處的工作環境，以及原材料本身的物理系數等等進行綜合考慮，得出一個最佳設計方案。

1.2 金屬材料的載荷和應力

當材料的工作環境確定之后，大致的金屬材料要求也能確定很多部分，但仍然不足，因為在機械設計中，最重要的還是金屬材料的載荷以及應力。金屬材料的載荷，通常有金屬自身重量的載荷，以及外界壓力的載荷，兩者結加在一起，構成對金屬材料的總載荷，若金屬材料能夠滿足工作環境所需條件，一個大的載荷是必不可少的，否則，一個小的載荷不但不能有效承載外界附加載荷，還可能因為自身重量過程，導致自身載荷大于自身所能承載的極限，從而導致自身結構的破壞。應力可以在材料剛度和脆性上得到體現，應力大的材料，因為內部應力作用，外界力很難使材料發生形變，體現剛度;但一旦形變，就很有可能因為應力過大的作用而使材料本身結構被破壞。由此可見，金屬材料的荷載需要的一個較大的值，這能有效承載材料的總荷載，但應力卻需要一個適中的值，這樣能確保材料不易形變與脆性過高。這樣的材料制作成的零件，再由零件設計成的機械模型，在實際運作中，將體現出優秀的性能，而優秀的性能，體現在機械模型上，就是使用壽命，工作效率的提升。

1.3金屬材料的經濟性和實效性

在金屬材料各方面的物理參數數據范圍選擇確定后，應當再繼續考慮一個新的問題，就是金屬材料的價格以及實際中使用效率，無疑，這是非常重要的一點，因為一臺優秀的機械模型，不能因為建造成本的過高而放棄，因此在金屬材料各方面物理參數數據范圍確定的前提下，更應該在每一個物理參數下進行橫向對比，選擇出性價比高的材料，再根據當前材料，調整后續物理參數所需數值，值得注意的是后續選擇參數不應超過之前確定的物理參數數據范圍，所改參數僅僅只是數據范圍內的上下波動，之后應得出幾組材料的優秀解，再次計算不同組之間的性價比，此時應注意到時效性，即性價比的波動，綜上所述的綜合考慮后，選擇出性價比高的幾組作為機械模型設計的原材料。

1.4金屬材料的復雜結構程度及加工性能

不同材料之間，因為存在不同的物理參數，所以有不同的物理性能，之前所考慮的金屬材料選擇出發點都只是已經設計好模型之后，什么樣的金屬材料才能滿足當前機械模型的工作需求，但目前所面對的情況為，有了金屬原材料，需要開始加工流程，但因為不同的物理性能，加工難度存在明顯區別，加工難度不僅是體現在加工材料的物理性能差異上，還體現在加工零件模型的操作困難上，同一種金屬材料，加工不同的金屬零部件，加工難度完全不同，而同一的金屬零件加工，也會因為不同的金屬材料而導致加工難度存在差異，加工之后，金屬材料的物理特性可能因為加工過程的切割高溫等因素而產生變化，不同材料變化的程度不同，因此，我們需要確保加工之后金屬材料的物理性能依舊符合之前的需求，因此去掉物理數據變化明顯的那一組金屬材料。

1.5機械設計中對金屬材料的應用探討

從設計機械模型問題出發，探討機械模型所需的金屬材料，從第一步考慮機械中金屬材料所處位置，假想在那種工作環境中，金屬材料會受到怎樣的外界壓力，金屬材料自身又會產生怎樣的物理變化，又會對機械模型產生怎樣的影響，之后我們給出各個工作環境下金屬材料應當怎樣確定材料物理參數的范圍，然后考慮金屬材料在自身及外界荷載下將承受怎樣的荷載以及產生怎樣的應力，相應之間又該如何選擇，當這些關于機械設計的主要參數確定后，又考慮相應金屬材料的采購，進而引出經濟性的金屬材料選取，之后是考慮加工難點與工藝復雜，最后則是考慮到我們所處環境，整個流程工藝對環境產生怎樣的影響，至此，已經全方位考慮關于機械設計的金屬材料選取問題。

2結束語

在機械設計中，多數人只看重機械設計的結構，運作模式，處理能力，然而金屬材料的選擇，的確是設計一個優秀機械最重要的基礎，沒有一個好的材料，如何能運作一臺優秀的機械，如何讓科技的力量在機械中奔騰？所以一定要選擇合適的金屬材料，使其在機械設計中發揮更大的作用。

參考文獻：

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[3]范寶成，趙磊，荊政霖，等.金屬材料在機械設計中的選擇與應用[J].硅谷，2013（19）：142-142.

（作者單位：北京中誠正信工程咨詢有限公司遼寧分公司1

遼寧三木建設工程有限公司2）