機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用

隨著工業(yè)發(fā)展的高速前進(jìn)，人們對機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇和應(yīng)用的要求也越來越高，做好機(jī)械設(shè)計(jì)的材料的選擇十分重要，這也成為了機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，在保證機(jī)器正常的剛度強(qiáng)度下，節(jié)約材料，環(huán)保節(jié)能，提高機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，適用性成為了本行業(yè)研究的重點(diǎn)。本文簡述了關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇和應(yīng)用的重要意義，對機(jī)械設(shè)計(jì)材料的特點(diǎn)和選擇進(jìn)行了分析。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用的分析

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境、資源等諸多問題也慢慢隨之浮出水面，在大量開發(fā)之后一些機(jī)械設(shè)計(jì)中重要的資源已經(jīng)變得越來越少，盡管我國地大物博，但人口眾多導(dǎo)致了人均占有量居世界末尾，同時(shí)一些競爭引發(fā)了資源的不穩(wěn)定性，使得機(jī)械制造的材料成本增高，進(jìn)一步壓縮了應(yīng)用空間，因此我們應(yīng)該在機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇方面做更多的研究，以便于減輕機(jī)械制造的負(fù)擔(dān)，增加機(jī)械效率，提高機(jī)械壽命，同時(shí)也做到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)常用的材料

1、金屬材料

在各類工程材料中，以金屬材料（尤其是鋼鐵）使用最廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械制造產(chǎn)品中，鋼鐵材料占90%以上。鋼鐵之所以被大量采用，除了由于它們具有較好的力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性）外，還因?yàn)閮r(jià)格相對便宜和容易獲得，而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類鋼材中，由于合金鋼的性能優(yōu)良，因此常常用來制造各種零件。

除鋼鐵以外的金屬材料均為有色金屬。在有色金屬中，鋁同及各合金的應(yīng)用最多。其中有的質(zhì)量最小，有的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，通常還可以用于減摩及耐腐蝕要求的場合。

2、高分子材料

高分子材料通常包含三大類，即塑料、橡膠及合成纖維。高分子材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如原料豐富，可以從石油天然氣和煤中提取，或地區(qū)是所需的能耗低；密度小，平均只有鋼的1/6；在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有很好的彈性；耐腐蝕性好等。例如，有“塑料王”之稱的聚四氟乙烯有很強(qiáng)的耐腐蝕性，其化學(xué)穩(wěn)定性也極強(qiáng)，在極低的溫度下不會(huì)變脆，在沸水中也不會(huì)變軟。因此，聚四氟乙烯在化工設(shè)備和冷凍設(shè)備中有廣泛應(yīng)用，但是高分子材料也有明顯缺點(diǎn)，如：容易老化，其中不少材料阻燃性差，總體上講，耐熱性差。

3、陶瓷材料

作為工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料，有以氮化硅，碳化硅為主要成分的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，有以氧化鋁為主要成分的刀具結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷材料的主要特點(diǎn)是：硬度高、耐磨、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、剛度大以及密度比鋼鐵低等，。陶瓷材料常被稱為：“像鋼一樣強(qiáng)，像金剛石一樣硬，像鋁一樣輕”的材料。目前，陶器材料已應(yīng)用于密封件、滾動(dòng)軸承和切削刀具等結(jié)構(gòu)中，但是陶瓷材料的主要不足是比較脆，斷裂韌度低，價(jià)格昂貴加工工藝性能差。

4、復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料復(fù)合而成，不同的材料可分別作為材料的基本相和增強(qiáng)相。增強(qiáng)相起著提高基本想的強(qiáng)度和剛度的作用，而基本相起著使增強(qiáng)相定型的作用，從而獲得單一材料難以達(dá)到的優(yōu)良性能。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇原則

（一）載荷應(yīng)力大小和性質(zhì)

這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點(diǎn)來考慮，用在充分了解材料的力學(xué)性能的前提下來進(jìn)行選擇。脆性材料原則上只適用于只在靜載荷下工作的零件。在多少有些沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料，。金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于最常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯。

（二）機(jī)械的工作情況

工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過大的應(yīng)力，或者是配合松動(dòng)；另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。機(jī)械在工作中有可能發(fā)生磨損之處，要提高其表面硬度，以增強(qiáng)耐磨性。因此，應(yīng)選擇合適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。

（三）零件的復(fù)雜程度及材料加工可能性

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件宜選用鑄造毛坯，或用板材沖壓出元件后再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。

（四）機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性

1、材料本身的相對價(jià)格。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選擇價(jià)格高的材料。這對于大批量制造的零件尤為重要

2、材料的加工費(fèi)用。例如制造某些箱體類零件，雖然鑄鐵比鋼板廉價(jià)，但在批量小時(shí)，選用鋼板焊接比較有利，因此可以省掉鑄鐵的生產(chǎn)費(fèi)用。

3、材料的利用率。例如采用無切削或者少切削毛坯（如精鑄，模鍛，冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。

4、采用組合結(jié)構(gòu)。例如火車車輪是一般材料的輪芯外部熱套上一個(gè)硬度而耐磨損的輪轂。

5、節(jié)約稀有材料。例如鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦，用錳硼系合金鋼代替鎳系合金鋼。

6、材料的供應(yīng)狀況。對于小批量的零件應(yīng)盡量減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。

結(jié)語：機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇在工程上的應(yīng)用十分重要，我們要從材料的種類和材料的應(yīng)用原則兩方面進(jìn)行對對材料的選擇，才能更加環(huán)保，高效的完成設(shè)計(jì)。