浅析机械设计中材料的选择问题

黄棉

(厦门华天涉外职业技术学院，福建 厦门3 61102)

材料在机械设计及生产中是最为重要的元素，能否使材料在其中得到科学而合理的使用，是机械设计能否实现可持续发展的关键因素。所以，机械设计工作一定要强化对材料的选择。选材不但要充分考虑材料的经济性与环保性，还要保证所使用的材料的合理性。

1 机械设计与材料选择的关系

每一个零部件，都要使用一定的材料来制作。若我们选择好了一套机械设计方案，而无法选择出合适的材料，那么机械设计再完美，也没有办法保证生产以后，能够达到良好的效果。机械设计与材料的使用间主要存在以下几类关系:

1．1 材料决定成本

机械设计的本质就是要把机械产品(可能是零部件，也可能是一套设备)在最初的设计要求下设计出来，并投入于实际的使用中。我们知道，有时，一种机械设备有很多种材料都能满足设计要求，但材料不同，其生产成本会存在一定的差异。若在具体的设计中，选择使用价格较高的材料，则会由于其成本过高，而使得生产的机械无法在市场中取得价格优势。成本不止是机械产品在市场中保持竞争力的关键，同时也是企业引进设备时的主要考虑因素。所以，为了使机械设备可以让更多的企业认可，机械设计首先就要把成本问题考虑进去。作为成本的重要组成部分——材料是必须优先考虑的因素。

1．2 材料决定性能

一般情况下，材料的特性不同，会表现出不同的性能;但不同材料在一定条件下往往也能表现出同样的性能。这就为材料的选择提供了多种思路。拿我们常见的机械设计材料来说，金属材料的特性在于有良好的性能且有较高的强度，但是有不少金属材料会在潮湿环境下改变其使用性能;高分子材料往往有较强的弹性以及耐腐蚀性，但是在高温条件下很容易出现变形，从而导致性能发生变化。所以我们在选择相应的材料时，一定要考虑其未来的工作环境。因此，机械设计要以合理的成本为前提，同时还要把材料的性能考虑进去，以使得材料可以满足机械设计的根本要求。只有满足使用性能要求，才能够从质量上保证产品能经得起市场的检验。

1．3 材料决定质量

对于机械行业而言，往往是一个机械产品设计由多种材料来制成的，尤其是一套设备。若机械设计中使用了合理的材料，机械产品中的一切环节，就可以在机械产品的使用性能得以确保的情况下，把其优点全部体现出来，并尽可能地减少其中的缺点，使机械产品的质量真正收到1 +1 ＞2 的效果;相反，机械产品任何一个环节出问题，都会导致整体质量下降，机械设备无法达到相应的效果。所以，质量也是企业引入机械产品时考虑的另一重要因素。只有质量过得硬，才能够在企业中获得较好的口碑，才真正地能立足于市场。

2 机械设计中材料的应用特质

2．1 金属材料

金属材料在机械设计中是一种非常常见的材料。通常来说，金属材料主要有铁、锡、铝、金、银、铜等，材料不同，产品的价格也会有所不同，同时性能也会有较大的区别。但是，总的来看，金属材料的优势就在于:容易得到、耐磨损、耐热性和导热性强，还有一些金属有较强的硬度和柔韧性。

2．2 陶瓷材料

陶瓷材料也是机械设计中一种常用的材料。陶瓷材料的优势在于有较高的硬度，其硬度基本上与金属材料差不多;它也可以承受一定的腐蚀，尤其是对于化学材料的侵蚀不敏感，所以不会有太大的影响;重量不是太重，和同体积金属材料相比，其重量远低于金属。然而，陶瓷材料不仅较硬，且抗冲击能力较差，一旦受到冲击，就很有可能再无法使用;同时陶瓷材料的价格也偏高。

2．3 复合材料

复合材料主要指的是两种不同性能的材料的组合，从而达到取长补短的效果。这比单一性能的材料的优势更加明显。复合材料主要有铝不锈钢、玻璃钢、碳纤维等，不同的复合材料往往价格差异较大。考虑到复合材料可以把单一材料的性能优点全部综合在一起，所以复合材料在设计时会被经常使用。在不久的将来，随着人们不断地对材料的性能提出越来越多的要求，会有大量的新型复合材料出现在机械产品中，复合材料也会在机械设计中被越来越多地选用。

2．4 高分子材料

在机械设计中，高分子材料虽然使用的频率不高，但是其在一些重要的机械产品中也有使用。主要的高分子材料有纤维材料、塑料材料、橡胶材料等。高分子材料最大的优势在于重量不重，且性价比高，所以有不少的企业喜欢使用。在一些较为特殊的情况下，高分子材料可以使机械产品提升性价比。但高分子材料本身也有自己的不足，例如橡胶材料的耐腐蚀性差，如果有化学物品出现侵蚀，就会使其原有性能失去;塑料材料耐高温性差，若是碰到了高温环境，就会进一步降低其使用性能。

3 机械设计中材料的选择与应用要关注的因素

3．1 性能因素

机械的设计对材料的要求主要体现在对材料性能的要求上。材料的性能符合设计的标准时，设计出来的产品才能保证其质量;当材料无法满足设计诸多方面的要求时，意味着设计就无法达到预期的效果。比如，有些产品在强度和载荷等方面有严格的要求，这就要求选择的材料必须满足产品生产所需的性能，如果在设计的环节忽视了产品的性能要求，设计出来的产品将会受到材料的制约无法生产，或者即便能够生产，也达不到设计要求。所以在产品设计的环节，考虑生产产品的材料性能是非常重要的。

3．2 工艺因素

产品从设计到成品还要经历一个重要的环节，就是产品的加工。而产品的加工，不仅会受到设计理念的影响，还会因为加工工艺的差异导致产品质量下降、性能降低等问题。因为产品的加工是复杂的环节，包括了多种工艺流程，每一个流程中的细小疏漏和差异都会对产品的性能产生一定的影响。比如说在焊接产品的过程中，焊接强度的不同，工人焊接技术的差异，都会对产品的加工质量产生一定的影响。所以在考虑材料性能的同时还应该考虑加工工艺对材料的使用产生的影响。

3．3 环境因素

产品的加工对环境也有一定的要求。比如说金属材料在一定的温度条件下，受其热胀冷缩的特征影响，会出现变形或者其他难以预测的情况，所以在对原材料进行设计的过程中应该考虑生产场地的温度、湿度等环境因素，当金属原材料在特殊环境中进行加工生产时，会因为环境的不同导致产品的性能降低，从而导致产品的质量出现无法弥补的问题，给企业带来损失。因此在设计机械产品前，应该充分分析生产环境会对产品加工带来哪些影响，适当调整产品加工的时间，确保产品的质量。

3．4 价格因素

产品在市场竞争中，除了依靠质量求生存而外，更要考虑产品的价格竞争优势。一款好的机械产品除了性能稳定，质量可靠外，更应该考虑其性价比优势。这样才能保证产品的销路和信誉。当然产品的价格主要是受成品所使用的材料和加工成本影响的，因此在设计的过程中应该考虑原材料的成本价格，以及加工中所需的成本，制定合理的产品价格，既要满足市场对产品的可持续需求，又要保证产品在保障成本的前提下，赢得更大的利润空间。

4 结语

综上所述，在从事机械设计工作过程中，在具体选择材料时，往往要把科学性的应用以及优化型的材料摆在突出的位置，使得适用性、经济性、可行性等各类特性都在设计中有所体现，以便更好地帮助行业提高工作效率，增加经济效益，促进企业发展，并最终为实现国民经济的持续、健康、快速发展增添活力。

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