機(jī)械設(shè)計中對材料的選擇與應(yīng)用分析

梁先盛

（桂林電子科技大學(xué)北海校區(qū)，廣西 北海 536000）

當(dāng)前階段我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，機(jī)械制造領(lǐng)域也在持續(xù)進(jìn)步發(fā)展，在機(jī)械設(shè)計中可使用的材料種類較多，為保證機(jī)械產(chǎn)品的整體質(zhì)量與環(huán)保性能，在材料選用中需綜合評判材料性能與產(chǎn)品功能發(fā)揮之間的契合度，以此有效提升產(chǎn)品性能，促進(jìn)機(jī)械領(lǐng)域的長足發(fā)展。

1 機(jī)械設(shè)計中材料選擇應(yīng)用的重要性

材料選用是機(jī)械設(shè)計中的基礎(chǔ)保障，只有選擇合理的材料，才能有效保證機(jī)械設(shè)計的整體質(zhì)量與性能，保證機(jī)械產(chǎn)品發(fā)揮出應(yīng)有價值，并促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，目前在機(jī)械設(shè)計制造中主要應(yīng)用的材料有四種，分別為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料，每種材料的性能與功能都各不相同，所適用的機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品類型也不一樣，需要謹(jǐn)慎選擇。當(dāng)前在我國機(jī)械設(shè)計行業(yè)的發(fā)展中，為進(jìn)一步整合資源，提升資源利用效率，需圍繞可持續(xù)發(fā)展的原則來實(shí)施材料選用，以質(zhì)量為中心，以經(jīng)濟(jì)性與綠色環(huán)保為目標(biāo)來開展機(jī)械設(shè)計，從而促進(jìn)我國機(jī)械設(shè)計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。所以關(guān)于機(jī)械設(shè)計材料的選擇，不但需要滿足機(jī)械產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量與規(guī)格需求，更應(yīng)該符合目前國家的環(huán)保政策要求，盡量使用新型環(huán)保材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可降解材料，目前社會各行各業(yè)對環(huán)保的重視程度較高，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的低能耗與環(huán)保性，所以材料的選用對機(jī)械設(shè)計來說非常重要，可以直接影響機(jī)械產(chǎn)品的整體性能與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2 機(jī)械設(shè)計中材料選擇與應(yīng)用的原則

2.1 質(zhì)量規(guī)格原則

機(jī)械設(shè)計的核心就是需要保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量，在選用材料的過程中，質(zhì)量永遠(yuǎn)是第一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品的功能發(fā)揮，來選擇滿足產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的材料，如果材料質(zhì)量不符合機(jī)械設(shè)計需求，那么產(chǎn)品質(zhì)量必將下滑，進(jìn)而影響到機(jī)械設(shè)計企業(yè)的良好發(fā)展，如果材料規(guī)格尺寸不符合機(jī)械設(shè)計需求，那么就無法設(shè)計出符合需要的機(jī)械產(chǎn)品，這些材料將被廢棄淘汰，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 經(jīng)濟(jì)性原則

經(jīng)濟(jì)性材料的選擇直接決定機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的過程中，應(yīng)綜合考慮機(jī)械的設(shè)計、制造與裝配過程，了解產(chǎn)品成本價值，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際功能發(fā)揮來選擇性價比最高的材料，這樣不但能保證機(jī)械設(shè)計質(zhì)量，也可以盡可能的降低成本，提升效益，有效提高企業(yè)的市場競爭力。

2.3 環(huán)保節(jié)能原則

“金山銀山不如綠水青山”，在倡導(dǎo)可持續(xù)綠色發(fā)展的今天，國家對環(huán)境保護(hù)與資源可持續(xù)利用給予了高度重視，并針對社會環(huán)境治理現(xiàn)狀，出臺了一系列政策方針來提升環(huán)保力度。而機(jī)械設(shè)計企業(yè)也應(yīng)響應(yīng)國家的號召，在材料選用環(huán)節(jié)遵循環(huán)保節(jié)能原則，重視新能源材料的使用，確保所設(shè)計出的機(jī)械產(chǎn)品更加環(huán)保節(jié)能，符合生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展趨勢。

2.4 新型材料優(yōu)先原則

目前我國在材料研究方面取得較大進(jìn)展，新型材料層出不窮，這些新型材料能夠進(jìn)一步提升機(jī)械產(chǎn)品性能，并且在性價比與能耗方面有著較大優(yōu)勢，新型材料的選用，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品的進(jìn)步。機(jī)械設(shè)計單位應(yīng)重視前沿相關(guān)新型材料設(shè)計的消息，并投入資金大力研發(fā)新型材料，從而不斷促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計企業(yè)的發(fā)展。

3 機(jī)械設(shè)計中材料的具體選擇與應(yīng)用

3.1 實(shí)用性材料選用

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

3.2 荷載型材料選用

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，大量機(jī)械制造產(chǎn)品失效的主要原因在于機(jī)械材料外載荷性能不符合機(jī)械設(shè)計需求，一般可以將機(jī)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(jī)械材料本身發(fā)生彎曲，材料表面需承擔(dān)大部分應(yīng)力，這樣的機(jī)械材料性能直接影響機(jī)械零部件功能的發(fā)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(jī)械設(shè)計人員應(yīng)對機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品實(shí)際使用過程中荷載的變化情況進(jìn)行分析，防止機(jī)械材料在受到交變應(yīng)力影響的情況下產(chǎn)生破壞。

（2）具有壓縮性能與單純承受拉伸的機(jī)械材料，這些材料需要有良好的韌性與高塑性，保證機(jī)械材料在外荷載的作用下可以將應(yīng)力均勻的分布在材料表面上，所以在對這種荷載型材料進(jìn)行選用的過程中，必須選擇性能分布均勻的機(jī)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(jī)械設(shè)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(qiáng)度和高耐磨性，但是一般在機(jī)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(jī)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(huán)境產(chǎn)生較大危害，同時也會對人體產(chǎn)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(jī)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(jī)械制造中可以加工成管棒線板帶箔材產(chǎn)品。針對其本身優(yōu)秀的機(jī)械產(chǎn)品性能與污染環(huán)境的問題，需要在兩者中尋找出平衡點(diǎn)，盡量不用或者少用帶毒材料，選擇其他可代替的材料進(jìn)行加工設(shè)計，如果由于機(jī)械產(chǎn)品的性能需求必須采用這些機(jī)械材料，那么在實(shí)際設(shè)計的過程中需采取針對性措施，減少有害材料對環(huán)境與人體的污染，并在產(chǎn)品使用結(jié)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(dǎo)環(huán)境保護(hù)與節(jié)約資源的現(xiàn)代社會中，綠色可持續(xù)發(fā)展是所有行業(yè)需要遵循的生產(chǎn)要求，低能耗材料的引進(jìn)至關(guān)重要。在機(jī)械設(shè)計低能耗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不僅可以通過更新設(shè)計手段來達(dá)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(xiàn)在能源材料中，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計盡量不選用石油作為能源材料，而是需在保證機(jī)械制造性能與質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選擇新型低能耗材料，以此提升機(jī)械產(chǎn)品的環(huán)保性能。在未來的機(jī)械行業(yè)發(fā)展中，環(huán)保低能耗必然是行業(yè)發(fā)展大趨勢，所以設(shè)計人員需不斷更新理念，從材料選用入手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的低能耗與可持續(xù)發(fā)展。

3.5 可回收材料選用

循環(huán)利用是當(dāng)前資源可持續(xù)發(fā)展中的一個重要主題，也是機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域中的一個重難點(diǎn)。由于參與機(jī)械設(shè)計制造的材料大部分為金屬材料與化學(xué)材料，這些材料均屬于不可再生型材料，用多少就永遠(yuǎn)失去多少，在達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)廢棄之后，也很難進(jìn)行二次回收利用，從而造成資源的浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成較大污染，使機(jī)械設(shè)計制造違背了環(huán)保綠色發(fā)展的原則。為有效提升資源利用效率，在機(jī)械設(shè)計制造過程中盡量選用可回收材料，就目前機(jī)械材料的可回收性來看，大部分材料的回收利用價值比較低，需要進(jìn)行二次加工改造才能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。當(dāng)前最常見的可回收材料為廢棄鋼鐵，這些鋼鐵指的是熔煉用廢鋼和非熔煉用廢鋼，不包括合成鋼，這些廢舊鋼材在回收之后進(jìn)行熔煉，可以作為機(jī)械原材料繼續(xù)使用。

4 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計中材料的選用是一個需要漫長研究的過程，機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品的改進(jìn)發(fā)展，其材料選用標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新，圍繞當(dāng)前綠色環(huán)保，節(jié)約資源的生產(chǎn)目標(biāo)，嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)選用材料，使我國的機(jī)械設(shè)計加工水平得到顯著提高。