浅析机械设计中材料的选择与应用

2023-03-11许昌职业技术学院河南许昌市461000黄文君

石河子科技 2023年4期

（许昌职业技术学院，河南许昌市，461000）黄文君郭葳

制造业作为我国国民经济发展的支柱产业，是提升综合国力、增强核心竞争力的必由之路。目前市场对机械制造业的发展要求越来越高，机械零件的设计、加工、制造都与材料息息相关，要想保证机器零部件的性能，除了设计与工艺，材料的选择也至关重要，随着“中国制造2025”的全面推进，在迈向工业化、现代化道路中，探究机械设计中材料的选择具有重要的意义和价值。

1 材料的类型

1.1 金属材料

金属材料有三种类型，黑色、有色和特种金属。黑色金属是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金，也就是钢和铸铁材料。有色金属包括铜和铜合金、铝和铝合金。目前钢和铸铁材料应用广，产量和用量大。有色金属没有钢铁的用量多,但由于其独特的性能和优点，在机械、建筑、航天、电工电子等领域的应用也日益广泛。

1.2 非金属材料

非金属材料有无机和有机两大类，无机材料包括玻璃、陶瓷、石墨、岩石；有机材料包括木材、塑料、橡胶等。随着科技的进步和机械行业的发展，一些新型非金属材料涌现给人类生活带来了惊喜和改变，像水泥、陶瓷、人造石墨、合成树脂等新型材料的创造也进一步推动了新材料的研发、设计、制造和应用等模式的巨大变革。虽然非金属材料的机械性能比较差，但一些特殊的非金属材料也是化学工业不可缺少的一部分。

1.3 高分子材料

高分子材料是由高分子化合物基体和添加剂组成的复合材料，包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、涂料等，是一种聚合物。用途非常广泛，几乎涉及所有领域，如饭盒、塑料袋、仪器设备外壳、电线电缆外套料、汽车保险杠、衣服、薄膜、风力发电机扇叶、齿轮、结构件等，广泛应用于人们的日常生活中，已成为发展国民经济的重要材料，随着高分子材料的合成和发展，一些功能性、节能性的材料应运而生，满足使用价值的同时节能、高效，比传统材料有更大的发展空间和应用领域，不仅能提高经济效益和社会效益，也成为了国防建设、尖端技术发展不可缺少的材料。

1.4 复合材料

复合材料是由多种材料通过物理或者化学反应组合在一起的新材料，综合性能好。主要有金属基复合材料和非金属基复合材料两种类型，常用金属基复合材料有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基复合材料主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料的使用已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志。

2 机械设计中材料的选择

2.1 机械设计中常用的材料

由于金属材料具有机械强度大，硬度高、价格低、容易制备等优点，在机械设计中常常被作为基础材料使用，比如铁、铝等材料。随着科技的进步和制造业的发展，高分子材料凭借其工艺简单、使用无污染、适用范围广等优势在机械设计的各个领域崭露头角。复合材料自研发出来就很受人们欢迎，具有节能和环保，绿色无污染，耗能较少等优点。陶瓷材料的主要成分是“硅”，具有硬度高、刚度好、密度低、防腐蚀、防水等优点，但由于制造成本高，塑性差，在应用中具有一定的限制。

2.2 材料对机械设计的影响

机械设计行业比较注重生产加工环节。在机械制造中，机械制造质量水平的高低取决于机械设计部门的发展。而在机械设计中，材料的选择直接影响着机械设计方案的实施，同时也影响着机械设计的成本。在满足设计要求的前提下，合理选择机械材料，不仅能有效地保证加工质量，还能降低机械制造的成本，为后续工作的开展提供帮助，打下坚实的基础。

2.3 材料选择的基本原则

在机械设计时，需要考虑一些特殊因素，如工作条件、耐久度、工艺性以及成本等。在材料选择时，也需要考虑特定的性能，如使用性、工艺性、经济性等。

3 机械设计中材料的应用

3.1 金属材料的选择与应用

随着能源危机、环保问题的日益严峻，航空航天、轨道交通材料轻量化已成为全球关注的重点，也是我国先进制造领域的重大战略需求。一些先进金属材料的研究和应用已然成为前沿科学的热点，比如钛及钛合金、镁及镁合金、铝及铝合金。钛合金由于强度高、耐蚀性、耐热性好等优点广泛被应用于航空航天领域，镁基合金作为“绿色材料”被广泛应用于军事、交通和3C产品领域；高性能的铝合金板材和型材在汽车领域也取得了一定成果，部分应用可替代进口产品，近年来我国在高性能轻量化合金材料的制备和开发取得了很大的进展，期待未来有更大的创新和突破。

3.2 复合材料的选择与应用

复合材料具有强度好，刚度大，质量小等优势，可根据不同的使用条件进行设计和生产，以满足不同的性能需求。在机械制造过程中，通常根据零件的功能及工作环境要求，选择的复合材料，要既能满足正常工作，又能保证使用寿命。复合材料在航空航天、电子、医疗、汽车、化工等领域的应用逐渐增加，比如一些不锈钢复合板、玻璃纤维复合材料、碳纤维石墨纤维复合材料、弥散强化复合基材料、陶瓷粒基复核材料、多层复合材料等的应用。

3.3 新型材料的选择与应用

随着科技革命的迅速发展，新材料，新方法，新工艺等新型生产方式的出现，为机械设备的加工和制造开创了新的空间，新的机械设计理念要融入绿色环保，可持续发展等元素，保证机械设备的稳固性与稳定性，展现材料与应用的完美结合。随着新材料产品日新月异，产业升级，工业上对新型材料需求越来越大，如今，一些纳米材料、光电子材料、复合材料、新型金属材料合金、新型无机非金属材料、半导体材料以及一些新型的功能性材料等不断涌入机械制造领域，使机械制造水平也出现了巨大变革，新材料在型工艺新技术的加持下大放异彩，推动了我国制造业的发展。