新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張美娟

淺析材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇及使用

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院張美娟

摘要：本文旨在從機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的幾種材料及性質(zhì)分析；機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選取和應(yīng)用需考慮的四大要點(diǎn)以及機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的選材與應(yīng)用技術(shù)方法等幾個(gè)方面出發(fā)，淺談材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇及使用的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：材料；機(jī)械設(shè)計(jì)；選擇及使用

中圖分類號(hào)：TH14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-864X（2015）04-0136-01

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，不但要重視設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性和高性能，對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性和科學(xué)合理性也需進(jìn)行充分的考慮，而機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇和應(yīng)用就是設(shè)計(jì)師必須優(yōu)先考慮的。材料的選擇不但要考慮材料的性能、價(jià)格，還需預(yù)測(cè)使用該種材料可能造成的風(fēng)險(xiǎn)或出現(xiàn)的問題，只有將這些要點(diǎn)思慮周全之后，才能進(jìn)行下一步驟的機(jī)械設(shè)計(jì)。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的幾種材料及性質(zhì)分析

（一）金屬型材料

金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，是重要的機(jī)械制造使用材料。金屬型材料以其常見易得、耐熱導(dǎo)熱以及耐磨損等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)中最常用的一類材料。同時(shí)，一些金屬材料還因具備強(qiáng)度較大、柔韌性較好等性能受到廣泛運(yùn)用，例如：銀的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定耐腐蝕。一般在機(jī)械制造中選擇使用的金屬材料有：鋁、銀、銅、鐵、錫等。

（二）復(fù)合型材料

復(fù)合材料是一種由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)的材料組合而成的新材料。這種材料的性能較其他單一性材料更加優(yōu)質(zhì)和多樣，因此，復(fù)合型材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常被使用。復(fù)合型材料分為金屬型和非金屬兩大類，常見的金屬復(fù)合材料有不銹鋼、鈦合金等，而非金屬復(fù)合材料則有碳纖維、高硅氧玻璃纖維、芳綸纖維等。

（三）高分子合成材料

在當(dāng)前的機(jī)械設(shè)計(jì)中，高分子合成材料的應(yīng)用程度并不高，但在一些重要的機(jī)械設(shè)計(jì)方面也會(huì)有使用。高分子合成材料的質(zhì)量輕、性能好，在特殊情況下還提升機(jī)械產(chǎn)品的性價(jià)比。但其也有遇惡劣條件性能降低、性質(zhì)發(fā)生改變等缺陷。常見的高分子合成材料有纖維材料、橡膠材料以及塑料材料等。

（四）陶瓷類材料

陶瓷材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中比較常見。其強(qiáng)度較高、硬度較好、具有耐腐蝕能力且質(zhì)量較輕，特別是與同體積金屬材料相比較的情況下，陶瓷類材料的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬型材料。但陶瓷也具有易碎、價(jià)格高等缺陷。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選取和應(yīng)用需考慮的四大要點(diǎn)

（一）材料所具備的性能

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師選擇材料主要從各材料的性能著手，只有所選擇材料的性能符合此次機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，才能保證設(shè)計(jì)出來的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量可靠。如果選擇和使用的材料在性能上無法滿足設(shè)計(jì)的要求時(shí)，設(shè)計(jì)出來的機(jī)械產(chǎn)品將無法發(fā)揮預(yù)期的功能，無法達(dá)到預(yù)期效果。例如：一些機(jī)械產(chǎn)品在柔韌度和耐腐蝕方面要求很高，這就需要設(shè)計(jì)師選擇具備這些性能的材料進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的制造，如果這些要求被忽略，設(shè)計(jì)出來的機(jī)械產(chǎn)品很可能會(huì)由于受到設(shè)計(jì)材料的制約而無法進(jìn)行正常的生產(chǎn)制造工作，即便能夠進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，其生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也將無法達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，設(shè)計(jì)師在選擇材料時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮材料所具備的性能是否與設(shè)計(jì)要求相適應(yīng)。

（二）加工工藝的影響

機(jī)械產(chǎn)品的完成需經(jīng)過設(shè)計(jì)、加工、成品三個(gè)環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品的加工過程中，加工工藝的差異以及加工理念的不同將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及性能產(chǎn)生影響。加工環(huán)節(jié)的程序復(fù)雜，包括了多種工藝和多項(xiàng)流程，每一道工藝或每一個(gè)流程中出現(xiàn)的細(xì)微紕漏都會(huì)影響產(chǎn)品的性能。因此，設(shè)計(jì)師在考慮所選材料性能的同時(shí)需要顧及到加工工藝可能對(duì)材料造成的影響。

（三）加工環(huán)境的影響

與加工工藝一樣，材料的加工環(huán)境也將對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響。例如一些金屬材料在溫度劇變的條件下可能會(huì)發(fā)生變形等問題。因此，在對(duì)原材料進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)考慮到機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)場(chǎng)地的環(huán)境影響因素。如果材料在在與之性能不相適應(yīng)的環(huán)境進(jìn)行加工生產(chǎn)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品性能將受到影響，從而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到產(chǎn)品所處環(huán)境可能會(huì)對(duì)加工造成的影響，并制定出解決方案。

（四）機(jī)械產(chǎn)品的價(jià)格

為了增強(qiáng)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的生存能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，除了提升產(chǎn)品質(zhì)量形成品牌效應(yīng)吸引更多用戶之外，產(chǎn)品的價(jià)格也是重要的決定因素。機(jī)械產(chǎn)品的性價(jià)比是用戶購買時(shí)優(yōu)先考慮的因素，因此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮原材料的成本，加工所需的成本費(fèi)用，企業(yè)在此基礎(chǔ)上確定合理的價(jià)格。總而言之，機(jī)械產(chǎn)品的價(jià)格不但要保證用戶的可接受程度、滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求現(xiàn)狀，也要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量降低生產(chǎn)成本，獲得最大程度的利潤(rùn)。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的選材與應(yīng)用技術(shù)方法

（一）運(yùn)用調(diào)質(zhì)技術(shù)提升材料性能

為了提升材料的綜合性能，對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)這一種熱處理技術(shù)非常常見。它不但能夠?qū)Σ牧系膹?qiáng)度和塑性程度進(jìn)行提升，而且能通過提高材料強(qiáng)度和沖擊度來減小零部件的體積，減輕重量，從而使機(jī)械的重量得到減輕，所需空間減少。

在運(yùn)用調(diào)質(zhì)技術(shù)時(shí)，應(yīng)清楚明確標(biāo)注調(diào)質(zhì)，以防止一些廠家誤用其他技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行處理。同時(shí)，調(diào)質(zhì)的硬度范圍也需注明清楚。此外，熱處理后的材料硬度應(yīng)與實(shí)際要求相適應(yīng)。

（二）硬化技術(shù)處理材料表面

為了提升材料的耐腐蝕性和耐磨損性能，可以采用氮化技術(shù)以及滲碳技術(shù)等常見的硬化技術(shù)對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理。滲碳技術(shù)是將鋼材放入滲碳爐中進(jìn)行表面碳含量增加技術(shù)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行淬火，最后利用低溫回火技術(shù)消除其應(yīng)力。

（三）鋼材的氮化技術(shù)

利用氮化技術(shù)對(duì)鋼材進(jìn)行處理具有材料變形程度較低，氮化后無需進(jìn)行再加工等優(yōu)點(diǎn)。材料氮化的強(qiáng)度需依照材料質(zhì)量進(jìn)行核算確定，在氮化時(shí)通常使用整體氮化技術(shù)，必要時(shí)可采用局部氮化技術(shù)對(duì)局部進(jìn)行處理。氮化技術(shù)非常適合與調(diào)質(zhì)技術(shù)一同使用，這樣可以增強(qiáng)材料的耐磨損性能，同時(shí)提升材料的強(qiáng)度。

結(jié)語

綜上所述，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)械制造材料進(jìn)行科學(xué)合理的選擇和應(yīng)用非常關(guān)鍵，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能、壽命等都有深遠(yuǎn)的影響。設(shè)計(jì)師在對(duì)材料進(jìn)行選取時(shí)，應(yīng)充分考慮各材料的性能，選擇出符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求的材料，并通過專業(yè)技術(shù)及方法對(duì)材料進(jìn)行處理，以提升材料的性能及機(jī)械設(shè)計(jì)的適應(yīng)程度。

參考文獻(xiàn)：

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