探析机械设计中材料的选择和应用

谭龙利+张旷奇

摘 要：现代化和工业化的发展对机械设计行业提出了更高的要求，从材料的选择和应用上提出了更多要求，在设计过程中，必须综合考虑实用性、环保性、荷载能力、可循环性等因素，选择合适的材料用于机械加工中，确保机械及其零部件的使用性能、质量和寿命。

关键词：机械设计；材料；选择；应用

机械行业的发展是现代化工业体系创建的重要保障，当前机械需求量增加迅速，对于质量和使用性能的要求也越来越高，材料的选择和使用成为机械设计所面临的关键问题。材料作为机械设计的基本元素，其选择和使用是机械设计发展的基础。在综合考虑使用性能、工艺要求、环保节能需求以及经济适用等因素后，选择和使用最合适的材料用于机械设计中，对于机械使用性能及寿命的提高有重要保障。

1 机械设计中的常用材料

1、金属材料

金属材料是机械设计应用最为广泛的材料，占据使用量的90%以上。钢铁材料由于其韧性、硬度、价格、能满足各种加工要求等，成为使用最多的材料，包括金属元素以及主要由金属元素组成的呈金属性的材料。自然界中就能为机械设计提供近80种金属材料。除纯金属材料外，合金、特种金属和金属间化合物材料也属于金属材料。合金材料也是使用广泛的一种材料。合金材料作为两种及以上金属材料的混合物，其特性优良，提升了机械使用性能。特种金属材料以及金属间化合物材料是科技领域的重要材料。

2、复合材料

复合材料是使用化学或物理技术把两种或两种以上材料复合后，得到的使用性能较为特定且能满足多种工艺要求的新材料。复合材料包含金属及非金属材料。金属材料主要指铝、镁以及合金材料等。非金属材料则主要包括树脂、橡胶以及陶瓷等。另外还有玻璃纤维、金属丝以及碳化纤维等增强型材料。

3、高分子材料

高分子材料即将化合物作为基体，为满足使用要求而在化合物中掺入相应的添加剂或助剂，从而形成一种聚合物材料。高分子材料的生产原材极为广泛，获取便利，合成纤维、塑料等生活中使用率很高的材料就是高分子材料。这种材料可以从自然界的物质中提取，如天然气等，延展性高、加工能耗低，具备了较强的可再生性及可循环性。目前，在机械设计中，高分子材料正逐步代替很多金属材料，聚甲醛材料的耐磨性，使其代替金属材料成为齿轮、轴承等机械零件的使用材料。汽车制造业是高分子材料的主要使用领域，既减轻了汽车重量，又降低了能耗。

4、陶瓷材料

陶瓷材料就是通过天然化合物或合成化合物，经高温烧结后形成的非金属材料。陶瓷材料主要包括氮化硅及碳化硅。因其高硬度特性，被广泛应用于密封零件的设计中；其耐磨性和耐腐性是化学仪器设计制造的重要材料；其电物性能应用于电容器制造中。纳米陶瓷技术的发展，使陶瓷材料成为航空航天和卫星通讯等领域的重要材料。

2 机械设计中材料选择和应用

1、实用型材料的选择与应用

机械材料的应用要将使用性作为最基本的标准，根据机械设计中的零件性能及使用要求选择材料。此外，在机械设计中，需要依照具体的工艺指标进行材料加工，对于材料特性有严格的要求，铸造、锻造、焊接、切削、粘接、热处理等都需要相应的材料特性有不同要求，焊接时需要满足敏感性及使用性能，锻造时则需要材料能够可锻性、冷却度、热裂倾向性、冲压性等要求，因此，在选择和应用材料时，就必须满足这些工艺的要求，同时，满足机械零件及整体的性能和要求。在满足工艺和性能要求后，再选择经济性较高的材料。

2、荷载型材料的选择和应用

材料的荷载能力对于机械零件使用性能及寿命有重要影响，一旦荷载能力不能满足使用标准，就可能造成材料的失效或者使用中的机械零件失效。选择材料时，必须确保材料荷载能力能够满足机械设计要求，结合经济性选择更强荷载能力的材料，确保机械设计使用正常。材料荷载能力能够通过热处理技术完善。热处理技术主要包括调质、表面硬化以及分析氮化等技术。调质技术使用最为广泛，能够提升材料屈服度以及拉伸强度，提高材料塑性及强度，在使用调质技术时，要注意明确标注调质技术处理，并标明调质硬度范围，确保材料硬度能够满足实际强度的要求。表面硬化技术是对金属材料表面的针对性处理，主要作用在于提升材料耐蚀性以及耐磨性，其中氮化技术以及渗碳技术较为常用。渗碳技术即通过渗碳炉提高材料表面的碳含量，再经过淬火后提升表面硬度，之后通过低温回火消除應力，稳定表面组织结构。氮化技术主要应用于氮化钢的处理，在处理过程中不会引起较大的材料变形，硬化层也较小，能够结合调质技术使用，提升材料耐磨性及强度。

3、碳素钢、合金钢

碳素钢因其良好的加工工艺性及价格优势得到了广泛使用，但其强度及韧性较差，零件超过中等形状后就无法进行整体淬透，因此一般会加入一定的合金元素，从而形成合金钢。合金元素使碳素钢的强度、韧性、淬透性、耐磨性都得以提高，因此材料性能也有了较大提高，能够发挥更好的耐热、耐腐性、耐蚀性能。一般应用于荷载应力较大且较复杂时。或者在淬火工艺性要求较高、防止淬火裂纹或者降低变形时使用。合金钢使用的限制，既是为了有针对性地提高零件质量，也是为了减少资源浪费。

4、环保节能型材料的选择和应用

在材料选择时，尤其要注意那些对环境有不同程度破坏的材料，如砷、铅、锂、六价铬等，在满足机械设计需求的条件下，尽量选择其他无公害型材料，既减少环境污染，又有益于人体健康。热处理技术是当前机械材料来提高材料使用性能及寿命，但这种技术不仅污染环境，还会加大能耗，因此，要尽量选择能够用热轧或冷拔状态进行处理后，就能发挥使用性能的材料。在不能避免使用热处理技术时，尽量选择热处理程序更少的材料，如使用低淬透性钢制造齿轮时，可以实现穿透性加热，冷却后，表面就会淬硬。

5、可循环利用型材料的选择和应用

机械设计中多使用金属材料，在设计中，对不同零件往往需要根据其使用性能综合使用金属材料，为满足零件性能，将这些材料混合加工为合金材料，从而满足使用需求。这种使用方式对机械报废后的回收难度和回收成本都有很大的影响。为提高材料报废后的废物资源化，机械设计时，要尽量选择可循环利用的材料，单一合金或者金属种类较少的合金材料是更科学的选择，材料循环利用的可能性也更高。

3 结语

机械设计中材料的选择和应用要综合考虑各种因素，确保机械设计能够满足设计标准及使用要求。还要满足当前环境保护的发展趋势，确保选材的环保性、可循环性、无害性，促进机械设计行业的可持续发展。

参考文献

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