機械設計中對材料的選擇與應用探究

趙丹

摘要：當前階段我國工業產業發展潛力巨大，機械制造領域也在持續進步發展，在機械設計中可使用的材料種類較多，為保證機械產品的整體質量與環保性能，在材料選用中需綜合評判材料性能與產品功能發揮之間的契合度，以此有效提升產品性能，促進機械領域的長足發展。

關鍵詞：機械設計;材料;選擇

首先對機械設計中材料合理選用的重要性進行分析，并從質量規格、經濟性、環保節能和新型材料選用等方面歸納總結出材料的選用原則，針對機械產品功能特性來對材料進行分類，圍繞質量可靠、經濟實用和環保綠色等目標選用合適的材料，以此來保證機械設計產品本身功能的正常發揮，實現機械設計制造行業的可持續發展。

1 機械設計中材料選擇應用的重要性

材料選用是機械設計中的基礎保障，只有選擇合理的材料，才能有效保證機械設計的整體質量與性能，保證機械產品發揮出應有價值，并促進企業經濟效益的提升，目前在機械設計制造中主要應用的材料有四種，分別為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料，每種材料的性能與功能都各不相同，所適用的機械設計產品類型也不一樣，需要謹慎選擇。當前在我國機械設計行業的發展中，為進一步整合資源，提升資源利用效率，需圍繞可持續發展的原則來實施材料選用，以質量為中心，以經濟性與綠色環保為目標來開展機械設計，從而促進我國機械設計行業的可持續發展。所以關于機械設計材料的選擇，不但需要滿足機械產業的質量與規格需求，更應該符合目前國家的環保政策要求，盡量使用新型環保材料代替傳統的不可降解材料，目前社會各行各業對環保的重視程度較高，強調產品的低能耗與環保性，所以材料的選用對機械設計來說非常重要，可以直接影響機械產品的整體性能與設計標準。

2 機械設計中材料選擇與應用的原則

2.1 質量規格原則

機械設計的核心就是需要保證產品的整體質量，在選用材料的過程中，質量永遠是第一標準，根據機械設計產品的功能發揮，來選擇滿足產品質量與規格的材料，如果材料質量不符合機械設計需求，那么產品質量必將下滑，進而影響到機械設計企業的良好發展，如果材料規格尺寸不符合機械設計需求，那么就無法設計出符合需要的機械產品，這些材料將被廢棄淘汰，造成經濟損失。

2.2 經濟性原則

經濟性材料的選擇直接決定機械制造企業的經濟效益。在進行機械產品設計的過程中，應綜合考慮機械的設計、制造與裝配過程，了解產品成本價值，根據機械產品的實際功能發揮來選擇性價比最高的材料，這樣不但能保證機械設計質量，也可以盡可能的降低成本，提升效益，有效提高企業的市場競爭力。

2.3 環保節能原則

“金山銀山不如綠水青山”，在倡導可持續綠色發展的今天，國家對環境保護與資源可持續利用給予了高度重視，并針對社會環境治理現狀，出臺了一系列政策方針來提升環保力度。而機械設計企業也應響應國家的號召，在材料選用環節遵循環保節能原則，重視新能源材料的使用，確保所設計出的機械產品更加環保節能，符合生態環境的可持續發展趨勢。

3 機械設計中材料的具體選擇與應用

3.1 實用性材料選用

機械材料設計往往需要大量不同類型的材料，需要根據材料的性能與使用標準來選擇，在合理的位置選用正確的材料，才能充分保證機械產品質量，這樣的材料為實用性材料。比如鋼材的選用，鋼材是機械設計中最常用的材料，也是支撐機械設計產品實用性的最重要材料，目前常見的碳素結構鋼主要有 45、Q235A、40Cr 和 HT150 灰鑄鐵等，這些鋼種自身實用性較高，每個鋼種的特性也不一樣，所適用的機械設計也各不相同，以最常見的中碳調質鋼——45 為例，其主要特征為具有良好的綜合力學性能，但是在水淬時容易出現裂紋，常用到強度高的機械部件設計制造中，比如壓縮機活塞、軸承與齒輪等，能夠保證這些機械部件具有良好的強度來維持機械產品運轉。所以對于實用性材料的選用，關鍵從其本身的性質特征，以及在機械產品中所適用的位置來決定。

3.2 荷載型材料選用

經過研究發現，大量機械制造產品失效的主要原因在于機械材料外載荷性能不符合機械設計需求，一般可以將機械材料的載荷性能分為這幾個方面。

（1）在外載荷力的作用下，機械材料本身發生彎曲，材料表面需承擔大部分應力，這樣的機械材料性能直接影響機械零部件功能的發揮，針對這種荷載型材料的選用，需要注意材料本身承載荷載的能力，機械設計人員應對機械設計產品實際使用過程中荷載的變化情況進行分析，防止機械材料在受到交變應力影響的情況下產生破壞。

（2）具有壓縮性能與單純承受拉伸的機械材料，這些材料需要有良好的韌性與高塑性，保證機械材料在外荷載的作用下可以將應力均勻的分布在材料表面上，所以在對這種荷載型材料進行選用的過程中，必須選擇性能分布均勻的機械材料，避免選用高碳鋼制類型的比較脆的材料。

（3）合金鋼與碳素鋼，碳素鋼是機械設計制造中最常用的材料，其加工工藝性能較好，性價比較高，但是缺乏韌性，可以在碳素鋼中加入合金元素形成合金鋼，這種合金鋼具有高韌性、高強度和高耐磨性，但是一般在機械部件外荷載力影響較大的情況下才考慮選用合金鋼，所以在選用合金鋼的過程中需要注意，材料部件本身的荷載型要求與性價比之間的平衡。

3.3 無害材料選用

機械材料中一般都會含有一些危害元素，這是難以避免的，這些危害元素不僅難以降解，還會對環境產生較大危害，同時也會對人體產生不可逆的危害。比如常見的 Ni 元素，這種元素存在于大多比較常見的機械材料中，自身具有出色的理化性能，耐腐蝕，具有較高的電真空性能與電磁控制性能，在機械制造中可以加工成管棒線板帶箔材產品。針對其本身優秀的機械產品性能與污染環境的問題，需要在兩者中尋找出平衡點，盡量不用或者少用帶毒材料，選擇其他可代替的材料進行加工設計，如果由于機械產品的性能需求必須采用這些機械材料，那么在實際設計的過程中需采取針對性措施，減少有害材料對環境與人體的污染，并在產品使用結束后，采取一定回收措施，減少危害。

3.4 低能耗材料選用

在倡導環境保護與節約資源的現代社會中，綠色可持續發展是所有行業需要遵循的生產要求，低能耗材料的引進至關重要。在機械設計低能耗目標的實現，不僅可以通過更新設計手段來達到，還需要從材料上入手，盡量選擇低能耗材料，一般這些低能耗材料體現在能源材料中，機械產品設計盡量不選用石油作為能源材料，而是需在保證機械制造性能與質量的基礎上，選擇新型低能耗材料，以此提升機械產品的環保性能。在未來的機械行業發展中，環保低能耗必然是行業發展大趨勢，所以設計人員需不斷更新理念，從材料選用入手，實現機械設備的低能耗與可持續發展。

4 結語

機械設計中材料的選用是一個需要漫長研究的過程，機械設計產品的改進發展，其材料選用標準也在不斷更新，圍繞當前綠色環保，節約資源的生產目標，嚴格按照行業標準科學選用材料，使我國的機械設計加工水平得到顯著提高。

參考文獻

[1]李艷，翟大千.原材料在機械設計中的合理應用[J].科教導刊-電子版（下旬）.2017，（11）.267-268.

[2]陳文靜.淺談機械設計中材料的選擇和應用[J].建筑工程技術與設計.2015，（10）.2232-2232.

[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，（14）.17-18.