浅谈不同设备机械设计的材料选择与应用思路

李苏濛

摘要：现代机械设备的设计中，必须全面考量所选材料的应用性能、成本造价、环保效果等问题。为了进一步解析不同设备机械设计的材料选择与应用思路，本文分析了现代化机械设备的材料类型选择维度，并提出了具体的选择方向与应用路径，以便为相关研究提供理论参考。

关键词：机械设备 材料选取 设计应用

一、现代化机械设备的材料类型选择维度

（一）金属材质

随着现代制造业的发展，诸多新型材料被应用于现代化机械设备中，但金属材料仍然是其中应用比例最高的材料之一。自然界中可直接开发的金属元素高达80种，最为常见的铁、锡、银、铜、金等，在机械设备设计中的应用效果较好。金属材质的最大特点在于稳固性较强，因此可适用机械范围较广。诸如冶金机械、起重机械、装卸与工矿车辆、窑炉与水泥设备、铲土运输机械、混凝土机械等，均需要采用金属材料，以便保障机械设备的坚固性。而后期发展中逐步发现合金材料所形成的韧性和强度更为突出，也被应用于机械设备的制造中，诸如特种金属、合金材料、金属间化合物材料等，依据机械设备的适应性需求选取不同的金属材质成为优化机械性能的主要设计方向。

（二）复合材料

复合材料可以简单定义为两种或两种以上材质在化学或物理方法之下合成的材料，是完成现代工业发展之后的全新突破。由于材料性质不同，其熔点、韧性、耐受度等诸多性能可以相互补充，并达到机械设备的使用需求。因此，复合型材料在现代机械设备中的应用频次也越来越高。复合材料分金属与非金属两种，常见的复合金属材料如铝合金、镁合金、钛合金等，由于其金融性质发生了变化，更加容易被机械设备所使用。而非金属复合材料中较为常见的陶瓷、橡胶、树脂、石墨等，可以补充金属材质的性能，从而为机械设备提供细节设计的基础条件。除此之外，增强材料中的硼纤维、玻璃纤维、石棉纤维、芳纶纤维等，也是极为重要的机械设计补充元素。复合材料的稳定性更高，比刚度更强，可以作为防热、导电、屏蔽等机械设备设计的重要材料，因此在医疗、航天、建筑等领域的应用更为广泛。

（三）高分子材质

高分子材料也被称之为聚合物材料，是以高分子化合物为基体配以添加剂构成的新型材料。虽然高分子材料并未达到金属的机械强度，但是在实际应用中具备了可循环性，因此较金属材料的造价更低，且作为可再生资源的利用率较高。在金属资源日渐消耗的过程中，开发高分子材质的机械设备原材料，将有助于降低生产造价和减少资源损耗。因此，高分子材料在机械设计中的可利用价值更高。例如聚甲醛材料的耐磨性较强，可以应用于螺母、轴承、齿轮等机械设备辅助零部件中。因此，高分子材质在汽车制造业的应用较为广泛，同时能够降低车体重量，达到节能减排的机械设备设计效果。

二、不同设备机械设计中对于材料选择的应用思路

（一）负荷性

荷载水平是机械设备选择材料时不可忽视的重要因素，当荷载水平较低时部分机械设备的应用性能相对较弱。例如吊车作业时所承担的荷载量较高，悬臂吊车、悬挂吊车、桥式吊车等机械设备，在选取基础材料时必须考量其对于结构构件类型的支撑力，因此选择金属材质或合金材质仍然必须是极为稳定的应用材料。在其应用于机械设备时，除考量重力、压强、拉力之外，也需要考虑材料的基本耐受度，例如温度承受的上限与下限，也是保障机械设备基础负荷水平的条件之一。例如冷却系统中对于零部件的负荷水平要求较高，因此更多的选择了铝制品材料，其耐腐蚀性也支持了冷却系统设备的基础性能。因此，在不同设备机械的设计维度中，全面衡量不同材料的负荷性是较为关键的选择与应用思路。

（二）实用性

机械设备设计必须全面考量所选材料的实用性，这种实用性是针对机械设备功能而定的应用思路。例如在汽车制造业的相关设备中，变速箱、减速器、离合器、刹车片、差速器盘角齿等磨损度相对较高。选择铸铁或锻钢材质的应用比例较高，基于其材质本身的坚固性，及韧性的应用思路是选择同类型材料的基础要素和评估条件。而车体框架对于自身总量的要求较高，为了降低其车体重量，同时保持较高的坚固性，轻型材质中大量引用了铝、铜、镶、锰、络、铁、镍、锌等合金元素。诸如纤维增强材料的应用日渐普遍，树脂材料中PP、PA6、PA66、PBT等的纤维含量分别达到了10%、15%、20%、30%。而MD矿物复合填充材料在汽车前段模板、托盘、护板、支架等位置的应用频次也相对较高，可以保持机械设备的成型稳定性，以及结构强度，这实质上是以塑代钢的应用思路。

（三）经济性

以材料本身的成本造价为评估条件，是现代机械设备在设计过程中不得不考量的现实问题与应用思路。由于诸多材料在应用效果上能够达到相同的作用，因此以保障机械设备的基础性能，选择最为廉价的材料，也是加强机械设备经济性的应用路径。以钛合金和铝合金两种材料的对比为例，铝制品的平均造价仅为钛合金的十分之一左右，且应用于工程设备上的属性基本相似。因此，在考量机械设备的成本造价时，设计方向也更多的倾向于铝合金材料。诸如包装机械、仪器仪表、环保机械等，需要保持其机械设备经济性时，更多的倾向于选择和应用同属性廉价材料。

（四）環保性

现代机械设备之所以能够创造出更高的经济价值，其本质在于环保材质的大量应用。如果在机械设计中选取了过多的金属材料，实质上对于生态资源的开发程度也会相对较高，这种无形成本是亟待消解的机械设备制造问题。而新型材料中所具备的环保性能，也是开发设计中最为关键的应用方向。例如在汽车内饰部件中有机化合物的挥发性较高，是影响车内空气质量的主要因素。当气温较高时，挥发气体甚至会出现雾翳并凝结在玻璃上，造成驾驶视线模糊的问题。因此，基于环保性需求，低VOC材料在高纯度、高热氧稳定的添加剂选择中主要以降低聚合物降解为主，使用真空、添加剂吸附等技术手段的高分子材质将有助于改善机械设备的环保性，是选择设计材料时需要全面衡量的应用思路之一。

参考文献：

[1]张柱.关于化工机械设计材料选择标准及问题的探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2018，（06）：9-10.

[2]郑云鹏，张宏伟.机械设计中材料选择与应用的意义与要点[J].南方农机，2017，（24）：98.

（作者单位：郑州外国语学校）