金属材料在机械设计中的选择与应用初探

赵云龙

在当今时代，我国的经济呈现出高速发展之势，机械工业的设计领域日渐强大与先进。机械进步有一个非常重要的起点，那就是材料，尤其是金属材料，金属材料在机械设计中的地位无与伦比。因此，在科技飞速发展的今天，科技的运用必须跟上科技发展的步伐，而充分利用材料，使材料在机械设计中发挥出超过之前的功能，使设计出的机械系统能够完成比之前更多的工作，这就是在科技运用方向上的一种进步。

金属材料;机械;设计;优化探究;应用

随着时代的发展，工业技术产业日渐成熟，目前很多工业企业与现代化技术融合形成了具有未来发展特点的现代化工业。在现代化工业的发展中，随着人们生活水平的提高，与之而来的是工业用原材料的稀缺，并且随着时间的推移，两者的矛盾逐渐突出。据不完全统计，目前为止世界上用于工业的材料已经达到了四十多万种，并且每年还在递增中。相信不久的未来这些材料会变得异常珍贵，所以，各行各业都在争取用有效的原材料资源来提升自己的发展空间，机械工业也不例外。在这种情况下，机械工程的发展就变得急迫起来，所以，在机械工业中如何对有限的金属原材料进行完美的应用对机械工业的发展具有重要的意义。由于金属材料种类多样，它们的特性也有很大的不同，只有掌握好这些原材料的分类、性能以及相关应用领域等内容，才能在机械工业设计中发挥最大的作用。

黑色金属材料。铁及铁合金称为黑色金属，也就是钢和铸铁材料。目前钢和铸铁的应用最广，产量和用量也最大。钢和铸铁都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。（2）有色金属材料。简单来说，有色金属材料是除钢铁以外的金属材料，统称为有金色属。有色金属材料大致分为铜、铜合金、铝、铝合金以及轴承合金等等[2]。目前有色金属的产量和用量虽不及钢铁材料多，但由于它们与黑色金属材料相比具有某些独特的性能和优点，现代生产中应用日益增多。常用有色金属材料的牌号及用途。（3）非金属材料。非金属材料的种类繁多，在工程材料中常用的有工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料和新型工程材料等。其中，新型工程材料有纳米材料、粉末冶金、贮氢合金、形状记忆合金、非晶态合金超导材料等，而纳米材料和粉末冶金在工程上应用日益广泛。

优质机械材料的使用能够促进我国机械制造领域进一步的发展，在机械使用寿命以及性能方面有着极为关键且不可忽视的作用。想要使产品最终性能与质量得到显著提升就一定要挑选出最为合适的材料，只用借助这种方法，才能够使企业在机械设计领域激烈的竞争当中存活下来，并继续发展下去。众所周知，材料的选择对产品性能以及质量紧密相关，因此材料的选择便是机械制造整个过程中最为关键与重要的一个环节。除此之外，是否合理的选择机械材料，严重影响着产品最后实际功能的发挥。在当前这一阶段，各国都在倡导绿色环保，为了使我国资源得到良好保护，并提高资源的使用效率，一定要在机械制造的过程当中遵循可持续发展原则，对材料质量和性价比进行着重考量，从而保证我国的机械设计制造行业能够取得稳步、健康成长。同时，由于当今经济发展速度较快，社会各个行业对于机械产品需求愈发扩大，所以一定要将产品性能与质量作为根本基础，不断推进机械设计制造行业的创新发展。

1.注重荷载水平高的材料的选择

机械设计中材料的选择，还要遵循荷载水平高的材料选择原则。机械设备一般情况下都是长时间工作，設备的组成构件在长时间运转下会出现磨损或者功能减弱等状况，这种现象的出现主要原因是机械设计中，选择的机械材料荷载承受能力低，无法满足长时间工作需求，使用寿命缩短、功能丧失。面对这种情况，必须从荷载水平角度出发，在机械设计中，重视评估机械材料的荷载承受力，尽量选择荷载水平高的材料。当然荷载水平评定需要根据机械行业限定标准为主，应用频率高的机械材料相对来讲荷载水平高，符合机械设计选择要求。常见的荷载水平高的机械材料评定，包括低碳钢渗碳处理工艺。根据此工艺对机械材料（钢材质量）进行荷载水平测试，为机械设计选择适合的钢材。

2.对于可回收、绿色环保型材料的应用

在机械的设计与加工过程中，金属系材料占据着极大的一部分，但是金属材料属于不能再生型的能源，而且在废弃之后很难进行二次的回收与利用，不仅会造成资源方面的浪费，还有可能会对环境产生一定污染。这就使得机械设计加工工作违背了我国可持续绿色健康发展的原则。所以，想要使资源的应用效率得到最大程度提升，相关设计人员一定要格外关注材料的选择，将可回收、无污染资源作为选用的首要目标，从而防止出现资源浪费以及环境污染等问题，除此之外，使用可回收材料还可以确保行业在未来实现长久、健康的发展。

3.金属材料的复杂结构程度及加工性能

不同材料之间，因为存在不同的物理参数，所以有不同的物理性能，之前所考虑的金属材料选择出发点都只是已经设计好模型之后，什么样的金属材料才能满足当前机械模型的工作需求，但目前所面对的情况为，有了金属原材料，需要开始加工流程，但因为不同的物理性能，加工难度存在明显区别，加工难度不仅是体现在加工材料的物理性能差异上，还体现在加工零件模型的操作困难上，同一种金属材料，加工不同的金属零部件，加工难度完全不同，而同一的金属零件加工，也会因为不同的金属材料而导致加工难度存在差异，加工之后，金属材料的物理特性可能因为加工过程的切割高温等因素而产生变化，不同材料变化的程度不同，因此，我们需要确保加工之后金属材料的物理性能依旧符合之前的需求，因此去掉物理数据变化明显的那一组金属材料。

4.考虑工艺性能

工艺性能好是指所选材料能用最简易的方法制造出零件。某些情况下工艺性能就可能成为选材考虑的主要根据。例如：铸铁不能锻打;塑性小的材料不宜冲压;外形复杂的零件往往只能铸造，冲压或模锻方式一般是用在外形简单的大批的小零件生产当中。高分子复合金属材料的制作工艺是较为简单的，切削加工过程以及性能良好，但是该方法有个缺点就是导热性能较差，在切削加工过程当中不易散热，会导致工件的温度急剧升高，从而导致热固性树脂变焦以及热塑性材料变软的情况发生。陶瓷材料在成形之后，几乎不能进行其他方面的加工，但其可以用在碳化硅与金刚石砂轮磨削工艺。金属零件材料的加工工艺是铸件的工艺设计，在进行工艺设计时，要选择塑性比较好的合金材料进行加工，最好是选用共晶成分的合金材料;若进行锻件设计，就要选用相对塑性较好的合金材料;对焊接结构件的设计要选用低碳钢或者是合金钢材料，铜合金与铝合金的焊接效果相对较差一些。金属零件材料切削加工性能的好坏，会直接影响到产品的加工质量、生产成本以及生产效率等，所对钢铁材料进行化学分析，并通过改性处理来改善金相组织和力学性能，使其硬度控制在l70HBS～230HBS之间，以达到改善切削加工性的目的。

众所周知，我国的经济绝大部分来源于机械的加工制造领域，随着科学技术的发展，机械设计对机械材料的选择与应用越来越严格，所以在当今信息技术时代，建议引入人工智能（AI）、专家系统等先进信息技术，辅助机械设计人员在机械设计、材料选择等方面逐步实现智能化。

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[1]高鹏，韩伟.金属材料在机械设计中的选择与应用分析[J].世界有色金属，2018（21）：29-30.

[2]李春艳.金属材料在机械设计中的选择与应用[J].中国金属通报，2016（10）：48-49.