机械设计过程中机械材料的选择和应用探析_侍学婷.pdf

80Machining and Application机械加工与应用机械设计过程中机械材料的选择和应用探析侍学婷，任鹏摘要：随着社会经济的发展，包括重工业和轻工业在内的各个行业，得到快速发展。随着工业的发展，人们对机械的需求量也在不断增加，这也促进了整个机械制造业的发展。在机械设备的设计中，选用合适的材料是机械设备的重要环节。文章首先对机械设计中的选材和使用进行分析，然后对机械设计中所使用的主要材料进行探讨，并对其在机械设计中的选用和使用策略进行界定，旨在为今后的机械设计提供依据。关键词：机械设计；机械材料；选择；应用二十一世纪，随着工业化的加速，我国的机械制造业也随之蓬勃发展。机械的生产工艺涉及到许多方面，机械设计的重要性不言而喻，机械的外观、结构、应用范围包括机械选用和应用。所以，在进行机械结构设计时，首先要注意选择合适的材料，以保证机械的使用寿命。本文主要分析机械设计过程中机械材料的选择与应用。1 机械设计中，机械材料选择和应用的意义机械工业是国家经济发展的重要支柱产业。在机械设计领域，机械材料的选用和使用是非常重要的，特别是在科学的发展趋势下，机械设计的选用和使用越来越多。工业化是一个不断发展的过程，不能一味地强调机械设计的发展，更要重视经济和环保的可持续发展。随着我国的工业化进程的加快，对机械设计的材料的需求越来越大，而在机械设计中，能用到的原料还很少。从全球视角来看，社会发展和资源短缺之间存在着矛盾，为适应消费者的物质和文化需要，提高消费者的消费能力，机械设计企业正在寻求一种新的材料选材方法，它既可以有效地兼顾经济和应用，同时也可以实现可持续发展的机械设计。通过对新方法的改造，可以使有限的资源得到充分利用，要使机械设计得到进一步发展，就需要合理地选用和使用机械设计的材料，才能为机械工业的发展作出更大的贡献。2 常见机械工程材料的分类及特性机械设计中应用最广泛的材料有：金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。在很多的工程中，金属材料的应用非常的广泛，根据相关统计，在机械中，百分之九十的材料都是由金属制成的。大部分的金属都选择钢铁，这就意味着钢的强度和韧性都很高。此外，它的成本低廉，可以用于很多领域，同时也表明，钢铁是最适合于机械设计的材料。随着科技的发展，聚合物材料已逐步进入到人们的日常生活中。聚合物因其自身的优点，在机械设计中占有日益重要的地位。塑料、合成纤维是目前最常用的聚合物，它们来源广泛，延展性好，而且在生产过程中能耗极低，因此备受关注。然而，近年来，随着人们对塑料产品的“白色污染”的认识不断加深，对环境的要求也越来越高。复合材料在抗疲劳性能、比强度、耐磨性能等方面都优于陶瓷、聚合物材料。不过，由于其造价昂贵，所以在航空、武器等重要行业中都有应用。总体而言，主要包含金属材料、非金属材料两类：2.1金属材料铸铁、钢、铜是最常用的金属材料。铸铁，铸铁并非由铁构成，而是由铁、硅、碳组合而成；其次，铸铁的优势在于它在液体中的流动性好，熔点低，易切割，易于铸造，同时还具有很强的阻尼和抗压缩性能，广泛用于机械部件的生产。钢，同铸铁相似，是一种含有许多化学成分的金属合金；根据钢结构的化学成分，可以分为合金钢和碳素钢，结构钢和工具钢也可以按照用途来划分。碳钢因为其具有优良的性能和低廉的价格而在机械制造业中得到了广泛的应用。铜，铜的延展性、导电性、导热性、耐蚀性均优于铸铁、钢合金，并可加入其它化学成分，如加入镍元素所构成的白铜、锌、铅、锡、锰、镍；一种特殊的黄铜，由铁和硅元素组成，加入锡元素形成的铜。其中，铜、铜因具有良好的耐蚀性和耐磨性能，因而在各种机械设备上得到了广泛的应用。2.2非金属材料在非金属材料的应用领域，主要有塑胶、高分子、陶瓷、复合材料等。塑料和橡胶是最常用的机械结构，它具有重量轻，不易形成复杂零件，绝缘性能好，具有很强的抗腐蚀能力。橡胶具有很好的弹性，可以吸收冲击力，一般都会用在减振器和弹性部件上。陶瓷，由于其化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀等特点，在磨具、刀具、燃烧瓶喷嘴等方面得到广泛的应用。复合材料，可以弥补高密度材料和陶瓷材料的缺陷，但复合材料的成本比较高，主要应用在武器和航天领域，但随着技术的进步，复合材料的应用也会越来越多。81Machining and Application机械加工与应用3 机械设计过程中机械材料的选择3.1选择载型材料在机械设计中，材料的外荷载是影响机械部件工作的关键因素，要防止和解决零件的故障，必须利用其特性来解决。一般情况下，零件的失效都是由于零件的特性和外部负载的矛盾而产生的，所以在选用合适的材料时，必须要根据负载的特性，选择合适的材料。在具体的力学材料选用过程中，将其受力特性划分为：受外力的影响，其产生的应力主要集中在材料的表层，因此，其表面特性对零部间的控制效果有重要影响。因此，在选用机械设计的材料时，最好选用碳素或低碳钢，这样的材料可以有效地承受一定的载荷。采用该方法对零件进行挑选和处理，可以有效地确保零件的品质。某些零件在使用过程中，会受到某些压力和拉升的影响，所以在选用材料时，要使物料有选择地均匀分配，才能有效地进行物料的筛选。3.2合金钢、碳素钢选择目前，在机械设计中，碳钢是应用最广泛的一种材料。但是，因为它的韧性和强度都受到限制，尽管其成本很低，而且加工技术优良，但其硬度有限。在这个过程中，合金也被列入了候选名单。与普通钢相比，合金钢的强度和韧性都要高，可以满足很多基本的机械设计要求。除能增强材料的韧性和强度，还能增强淬透性，提升材料的耐磨性，既能防止废料的产生，也能保证零件的品质。3.3低消耗材料选取机械工业要想实现可持续发展，除要不断地进行城市建设之外，更要注重在机械设备的选择中，采用更多的节能、环保的材料。这是由于选择的材料时，采用绿色、节能的材质可以有效地减少环境污染。首先，在选择机械设备的材料时，应尽量减少或避免热处理过程，这对改善材料的寿命和使用性能至关重要；其次，热工工艺也会极大地改善对周围环境的影响。在机械设备的选材和加工中，可以采用冷轧和热轧两种方法，使物料的性能得到最大程度的发挥。另外，如果热处理是制造工艺中必不可少的环节，则应该尽可能地选择减少工序所需的物料，减少物料的用量，减少能耗，保证工业的可持续发展。3.4选择无害的材料在机械制造过程中，所用的物质往往会含有有害物质，对人体的健康和对周围的环境造成不良的影响。所以在进行机械设计之前，要对所选用的物料进行检验，尽量避免使用含有有害物质的物料，以免因需要而采用有毒物质。在工作中要注意避免与人的直接接触，以降低对身体的损害。3.5选择可回收的材料在机械设计中，金属是主要的材料，但也有一些金属的产量很低，如果在机械设计中大量采用这种稀有的金属，那么这种金属的含量就会大大的下降，而且，没有合适的材料来代替。所以，在选材时，尽量选用可循环的物料，既可以推动企业的发展，又可以减少对环境的污染。3.6可用性材料在选用材料时，可用性是首要的条件，而在材料的可用性和可用性方面，它也是最基本的因素。不同的材料结构会对不同的机械零件产生不同的影响，比如某些机械零件需要更高质量的材料，有些零件需要更好的外观。在选材和设计机械样品时，设计者要清楚地认识到零件的各个部分，并根据其本质要求，选用具有较高性价比的基础材料。4 机械设计中材料选择的关键因素4.1了解材料利用价值、属性在机械设计中，选择材料的关键是要了解其特性和使用价值。在上文中，已提及机械的质量、价格、成本等因素，与所选择的材料有着很大的关系。所以，在进行机械设计之前，必须要对材料的特性和使用价值有一个清晰的认识，以便选择合适的材料。另外，材料的使用也会对机械设计产生很大的影响。比如，如果选择的是低使用价值的材料，则必然会使机械设计的造价大幅提高。因此，要想有效地减少机械设计的费用，就必须选择具有高使用价值的材料。4.2对机械产品加工质量进行严格控制在选用机械的材料时，还要对机械的工艺系统进行严格控制。机械制品的加工工艺不仅会对机械制品的加工品质产生影响，而且还会影响到机械的生产效率。因此，要提高机械设备的生产效率，就必须进一步改进其生产工艺，并强化其控制和管理。同时，要加强对机械设备的生产工艺质量的监测，防止生产中的操作失误和其他问题。4.3综合分析运行环境在机械设计中，材料的质量与强度是不可忽视的两个因素。在选用材料时，要改善整个机械工程的质量，必须考虑到机械材料的操作环境。与此同时，由于对环境的不重视，对机械工程师的工作也会产生很大负面影响。在酸性条件下，金属的性质使其易于溶解。在此条件下，应选用并加以防护。若工作环境是潮湿的，会使机械零件受到侵蚀。4.4 选择经济的材料在机械设计的材料选择中，最主要的考虑因素就是经济性。在设计时，有关人员要对整个设计流程的各个环节有一个详尽的认识，归纳出各个流程的不同特征。只有这样，才能合理地选用具有较高性价比的机械材料，最大限度地发挥其最大的作用，从而达到机械设计的要求。但是，由于不同的机械材料具有不同的特性，需要对其进行深入的研究，以使其具有更高的性价比，82Machining and Application机械加工与应用符合相关设计规范。另外，还要根据两个原则来进行机械物料的整体预算控制：一是要满足机械设计的需求，二是要在确保产品质量的前提下，选用便宜的原材料。而对于那些物美价廉的，特别是能循环利用的，则是首选。在节约能源的同时，对机械的设计费用进行合理控制，使整个工程经济效益得到有效改善。5 机械设计常用材料的应用5.1高分子的材料一些塑料和人造纤维，一般叫做聚合物，它们的来源非常广泛。在许多天然的物质中，都可以提炼出这种物质，比如利用天然气，就可以从聚合物中提炼出一种物质。在使用聚合物材料时，可减少能量的消耗，降低材料的密度，增加材料的可塑性。5.2金属的材料在许多的工程中，都可以见到金属材料的运用，可以说，在工程上，金属材料的运用十分的广泛，有些相关人士甚至还专门对金属材料的使用进行了统计：超过90%的机械制品是由金属制成的。大部分的金属材料，都选择了钢铁，这就意味着，这些钢的耐用性很强，韧性也很好。此外，该产品的成本低廉，可以用于很多领域，这也表明，在机械设计中，钢铁的使用是适当的。5.3复合型材料一般情况下，这种材料是由两种或更多种不同的材料组成，通过化学方法，将两种以上的新材料结合在一起，就能形成一种复合材料。所以，复合材料在很多方面都是较为普遍的。6 机械设计中材料的选择应用策略6.1 满足机械设计要求在机械设计中，要保证机械选材的合理性，就需要对机械设计的需求有一个全面的认识，并解决其难点与关键。首先，要理解各零部件的使用情况，并对其工作环境进行分析，并对其在实际操作中可能出现的问题进行仿真，并将其有机地结合起来，对每一个零件进行合理、科学选材。其次就是经济成本，虽然不同材质有很大区别，但是价格上差距很大，因此在进行机械设计的时候要仔细的分析，制定一套最优的机械设计材料应用方案。6.2科学分析材料性能由于材料的质量和性能直接影响到机械的工作性能和使用寿命，因此在设计时要对其进行材料特性的分析。做好材料的导电性、热导率和密度等物理特性的分析，比较不同材质的特性，并根据生产工艺选择合适的材质。化学性能，包括化学稳定性、耐腐蚀性、抗氧化效果等；加工性能（包括锻造、焊接、切削等），其性能的好坏，将直接影响到机械制造的难度。因此，设计者必须要参照材料的资料，并进行试验，并根据设计的需要来应用合适的机械材料。6.3运用合理、科学的处理工艺在机械设计中，为改善产品的整体性能，通常会使用相应的加工工艺，以保证机械的正常生产，设计者必须对各种机械材料的加工过程进行分析，以求出最优的加工方法。例如，钢材热处理分为普通热处理和表面热处理，普通热处理包括退火、正火、淬火等，表面热处理包括渗碳、氮化、高频淬火等。如果机械材质的硬度太高，不利于切削加工，则应采用退火工艺，使其硬度下降。反之，如果要改善机械材料的硬度，可以采用正火工艺。此外，当机械材料在经过退火或正火后，硬度和强度都达不到设计要求时，