机械设计过程中机械材料的选择和应用探析

2014-08-15程艳

景德镇学院学报 2014年6期

程艳

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

我国科学家曾经在研究机械设计配置时提出:在进行机械设计时，要将选择机械材料放在重视的首位，在选择零件时一定要遵照零件配置的合理性，与此同时还应当重视零件一定要符合配合性的要求。在机械制造和机械设计中，尺寸的配合是一个非常重要的环节，它不仅与机器所使用的寿命息息相关，而且它还决定着机器的性能，同时会影响到整个机器在使用时的经济性和互换性指标。因此，在机械设计中材料的应用和选择必须要满足基本的合理性，并且做到促进机械设计保持可持续发展。

1 机械设计中材料应用和选择的意义

在我国国民经济发展过程中机械行业是一项非常重要的支撑型产业，对我国的经济产业发展起到了推动作用。在机械设计行业中应用和选择材料是一项非常重要的工作，特别是在我国提出了科学发展观的要求后，对机械设计的材料选择和应用更是加大了重视的力度。在产业化发展过程中不能仅仅关注机械设计的发展，更应当考虑到要使环境保护与经济效益向着可持续发展的道路迈进。

我国工业化的进程变得越来越快，在机械设计中可以使用的材料变得越来越少，而机械设计中对材料的需求量却与日俱增，在世界范围内都出现了资源稀缺与社会发展之间冲突的情况。为了使消费者在物质文化方面的需求得到满足，并且提高消费者的消费水平，机械设计行业开始寻求一种新型的选材方式，这种方式不仅要满足机械设计的适用性和经济性，还要满足机械设计的可持续发展。这种改进的方式使有限的资源得到了充分的利用，并且只有协调好机械设计材料的应用和选择，才能使机械设计工作得到进一步的发展，使整个机械行业为社会发展的大环境作出巨大的贡献。

2 应用和选择机械设计时的注意事项

2.1 遵循经济性和适用型的理念

选择机械设计所用材料时不仅要遵循其经济性和适用性，而且在选择材料时必须要格外的注意，在选择材料时要将机械零件制造的合理性作为基础，对零件的焊接工艺、铸造工艺、热处理工艺以及切削加工工艺等都做出适合机械设计应用的要求。在判断机械铸造工艺是否达标时，可以从铸造工艺的偏折性、收缩性、流动性等方面提出不同的要求;锻造工艺要求材料必须符合锻后冷却，并且符合可锻性、冲压性等要求;零件的焊接工艺对零件焊接的接头以及零件的使用性能都有比较敏感的要求;只有所选择的材料达到了这些零件的要求，才能加工出完整并且符合要求的机械零部件，并且在整个机械制造过程中将机械零部件作为基础，从而制造出更加符合要求的机械设备。与此同时，在选择机械材料时还应当关注材料的经济性，一般在原材料的选择方面都要遵循适用性的要求，并且尽量选择一些成本比较低廉并且容易获得的原材料。关注材料的利用率也是非常关键的，只有材料的利用率得到保证才能使材料的经济性得到保证，并且保证整个机械设计行业得到长足的发展。

2.2 将绿色环保放在机械设计材料选择的首位

在机械设计选择和应用材料时，还应当重视材料的绿色环保性，随着我国社会经济突飞猛进，给我国生态和环境也造成了非常严重的困扰，使我国自然环境受到了极大的破坏，加之资源短缺情况已经成为一个世界性的问题，所以在发展经济的同时保持绿色生态的环保性成为了世界各个国家所关注的重点话题。在机械设计时也是如此，所采用的原材料一定要符合环保的要求，保证低成本、低耗能、高效率才能使环境污染不断降低。科学家对机械设计进行了全面的研究，通过研究发现在设计一些铸件零件时，生产铸件时所用的成本大约在百分之七十至百分之八十之间，但是铸件所得到的收益却仅仅有百分之五。因此，在机械设计过程中提倡绿色环保的生产方式，不仅能够为环境保护作出一份贡献，而且可以大大地减少生产过程中所使用原材料的成本，从而减少一些无谓的能源消耗。除此之外，创新型空间的利用也可以起到良好的环保作用，使机械设计过程中的环保要求得到满足。

2.3 坚持贯彻可持续发展观

我国社会经济发展迅速，为了使生态环保与经济发展得到协调，我国提出了可持续发展的理念。在进行机械设计的材料选择时必须坚持可持续发展观的要求，因为可持续发展原则可以更好地将材料使用和机械设计进行整合，并且可以挖掘出一种材料多种功能的潜力，不仅为机械设计节约了成本，而且带领机械设计走上了一条稳定、全面、可持续发展的道路。

3 机械设计中材料的选择

3.1 载荷型材料的选择

在机械设计过程中，机械的元件是否能够正常工作，一般是由机械材料外载荷性能决定的，要想预防并解决零件出现失效的问题，可以用机械零件所具备的性能解决此问题。一般出现零部件失效的原因都是由于零件的外载荷与零部件的性能可能出现了冲突，导致在选择机械材料时必须选择符合载荷性能的材料，才能使载荷型材料符合标准。在进行材料选择时，可以将载荷的性能分成两个不同的方面:第一，在外载荷产生的作用力下零部件出现了扭转的情况，这时应力一般都集中在材料的表层，这说明零部件间的控制效果是由材料表面的性能决定的。因此，在选择机械设计材料时选择低碳钢渗碳或者选择中碳钢作为原料所制成的机械部件可以承担一定的载荷力。用这种方式选择和加工的部件一般能够保证零部件的质量。第二，由于一些零部件在工作时需要承受一定的拉升力或者承受压缩作用，所以在选择材料时，应当选择性能分布比较均匀的材料，这些材料能够使零件横截面的应力得到加强，从而使机械在设计和加工过程中，材料可以更加高效地完成作业。

3.2 碳素钢材料和合金钢材料的选择

在进行机械设计时，选择碳素钢作为生产的原材料也是非常常见的，一般情况下购买碳素钢的价格比较低廉，在对碳素钢加工时，其工艺性相对也比较强，所以在机械设计过程中得到了非常广泛的应用。但是碳素钢由于它本身强度较低，韧性也比较差，在制造一些中等形状的材料时，碳素钢不容易被完全淬透，这就影响到了碳素钢的具体使用，所以可以对碳素钢进行改进，在其中加入合金成分，最终形成一种新型的材料。这种合金钢不仅强度和韧性能够与碳素钢相当，而且其淬透性也非常强，除此之外，它在耐磨性方面与碳素钢比较也得到了很大的提升。

3.3 选用可回收利用的材料

在进行机械制造时，可以选用的金属材料种类十分丰富，单说钢材就已经超过了百余种。但是在进行机械设计时，由于会将多种材料摆放堆砌在一起，所以在使用材料时很难对材料进行区分，这就给回收利用材料带来了很大的难度。所以，在选择材料时应当注意材料的循环利用性，可以将一些合金材料或者相对比较单一的零部件作为使用的材料，这样不仅材料的元件有所减少，而且也可以很好地解决材料带给环境的压力，使材料的循环利用可回收性都得到了提高。

4 机械设计常用的材料

在机械设计过程中，一些材料是非常常用的，只有对这些材料的性能进行充分的了解，在使用时才能更加合理有效。第一，高分子材料，在一般情况下一些合成类的纤维、还有塑料等材料都被统称为高分子材料，这种材料与其他材料相比，来源非常广泛，在自然界的许多成分中都能提取出来，比如:利用天然气提取高分子材料就是一种非常好的方式。在使用高分子材料时，不仅材料所消耗的能源非常低，而且材料的自身密度比较小，这使它具有良好的延展性。第二，金属材料，在许多工程中我们都能看到金属材料的身影，可见金属材料的应用范围很广，相关人员对金属材料的使用情况做了专门的统计，在机械产品中有百分之九十以上都使用到了金属材料。而在众多的金属材料中，选用钢铁材料的也占大多数，这也是由于钢材的自身性能非常好，不论是韧性还是强度都达到其使用标准。除此之外，材料的价格非常低廉，在生产中材料可以在多个方面使用，这些特性也说明了钢材非常适用于机械材料设计中。第三，复合型材料，一般情况下复合型材料都是由两种或者两种以上不同的材料构成，在制作时运用化学的方式将两种以上不同的新型材料组合在一起就形成了复合型材料，复合型材料能够满足许多种不同的生产工艺，所以复合型材料应用的领域很广泛。日常对复合型材料进行分类，一般可以分成非金属和金属材料两种。比如:一些合金类的金属材料就属于复合型材料，橡胶、树脂等非金属新型材料也属于是复合型材料。