对机械设计中选材问题的分析

摘要：本文笔者论述了机械行业的发展现状，并对机械设计中材料的选择与应用问题进行分析探讨，以下结论可供参考。

关键词：机械；机械设计；材料选择；应用

一、机械设计中材料的选择原则

在机械设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。选材中要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如密度、弹性模量、强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、高温和低温强度、焊接性能、淬透性、热处理变形量、可锻性、切削性能、经济性等。选用材料要根据产品批量，是常年需要（定型产品）或一次性生产（单件、单批生产），从机械性能、工艺和经济三方面来考虑。

1材料的机械性能

在设计并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，而且拉应力是周期变动的，其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外，多数情况下是由于疲劳破坏而造成短裂。因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。由于是整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。

2材料的工艺性能

现代工业所用的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。

3材料的经济性

在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降低机械的总成本。机械的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其他一切费用。在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。

二、机械设计中材料选择的重要意义

我们需要清醒地认识到一点：在现代经济社会工业化体系不断健全与完善的推动作用下，整个机械生产与加工行业也面临着前所未有的发展机遇与挑战。当前，大部分用于机械设计的材料正逐步稀缺，所以，机械设计工作必需的材料日益增长的需求与各种原材料稀缺之间的矛盾日益突出与激化。与此同时，在经济社会不断发展、完善过程中，各行业领域对原材料的需求还要与机械设计的原材料需求争发展空间、争原料资源，这就使得机械设计中材料的选择与应用空间被进一步压缩。可以说，这是机械设计中材料选择与应用所面临的基本矛盾。基于以上因素，在机械设计的材料选择与应用中，如何在确保机械设计工作质量的基础之上，将经济性、环保性、适用性纳入机械设计材料选择与应用的基本原则当中，促使整个机械设计行业能够沿着可持续发展道路不断前进，已成为当前设计人员最亟待解决的问题之一。

三、机械设计中材料选择的重点问题

材料选择作为机械设计最关键的内容之一，其工作质量的好坏将直接关系到整个机械设计工作质量的好坏。要想做好机械设计中的材料选择工作，首先要使材料满足机械零部件在运行过程中各种机械性能、物理性能以及化学性能的要求。在此基础上，还要兼顾机械生产与加工过程中的可操作性、经济性以及安全性。具体而言，在整个机械设计的材料选择工作中，有以下几方面需要设计人员特别关注的要点：

1机械设计中材料载荷类型的选择

大量的实践研究结果表明，在机械设计工作中大多数零件失效的根本原因均是由机械材料的外载荷性能所导致的，而机械零部件所具备的各种应用性能恰好能够有效地抑制这种零部件的失效问题。这种机械材料外载荷性能与抑制失效问题的零部件性能之间的矛盾，要求我们在机械设计材料选择工作中，以零部件材料的载荷性能及应力大小作为材料性能选择的评价指标。具体而言，可以将这种材料载荷性能的选择归纳为以下两点：

(1)当外载荷作用力促使机械材料零部件发生弯曲与扭转现象时，其最大应力大多集中在材料的表层当中。这也就意味着材料表层的性能能够对材料零部件失效性能的抑制起到决定性作用。当机械设计所选择的材料需承受这种载荷作用时，可选用中碳钢调质或是低碳钢渗碳的处理方式对其进行加工作业。

(2)对于那部分单纯承受拉伸、剪切或是压缩应力的材料零部件来说，其外载荷作用力会沿着整个零部件横截面均匀分布，这也就意味着我们在进行机械设计的过程中，需要选择各部分性能均匀分布的零部件材料，以此确保机械设计后续加工、生产环节的作业能够高效完成。

3机械设计中碳素钢与合金钢材料的选择

在当前的机械设计材料市场当中，碳素钢受其加工性能和操作性能好、成本价格优越等特点影响得到了广泛的关注与应用。与此同时，设计人员也需要关注一个问题：这种碳素钢的低强度、低韧性以及中等形状以上材料零部件无法进行热处理加工淬透作业等缺陷，使其在机械设计材料选择中受到了较为严重的制约。经研究发现，在碳素钢中加入一定比例的合金元素就能够形成合金钢。这种合金钢结构的机械材料在强度与韧性上能有一定的提升，还可以在一定程度上赋予零部件材料诸如耐腐蚀、耐高温、耐磨损等方面的特殊性能。

四、机械设计中材料应用工作的重点分析

材料的应用作为材料选择工作质量好坏的体现与延伸，在整个机械设计工作中发挥着不可忽视的作用。机械设计中材料选择工作的合理性固然重要，材料应用工作的经济性与环保性同样也值得设计人员加以密切关注。可以说，如何在确保材料选择工作质量的前提下，正确处理好材料应用中经济性、可操作性以及节能环保性的统一，已成为机械设计工作的重要课题，这也是机械生产与加工行业蓬勃发展的必然选择。在机械设计材料的应用工作中坚决贯彻落实可持续发展观念，就需要做好以下二个方面的工作：

1机械设计中材料应用工作需要做到适用性与经济性的统一

设计人员需要明确一点：适用性与经济性的统一是当前在机械设计材料应用工作中首先要考虑的问题之一。以下从适用性与经济性两个方面作详细分析。

(1)机械设计中材料的应用工作需要以机械材料零部件的制造工艺为参考指标。在机械生产与加工作业中，铸造工艺、热处理工艺、切削工艺、焊接工艺等加工处理技术对于机械设计中材料应用的要求各有不同。详细来说，铸造工艺要求机械设计材料的应用向高流动性、高收缩性以及高吸气性方向发展，焊接工艺需要机械设计在材料应用中考虑材料的冲压性、冷镦性特点，热处理工艺需要机械设计在材料应用中满足淬透性、过热敏感性以及氧化脱碳性等方面的基本性能，切削工艺则要求机械设计在材料应用中满足切削作业可操作性的特点。

(2)机械设计中的材料应用工作需要对经济性加以特别关注。机械设计材料的应用需要在确保零部件材料各方面性能均能得到满足的基础之上，对材料零部件的加工工艺成本进行合理控制，这就需要结合机械生产与加工企业的现有生产条件，对机械零部件的成型方式及最佳加工工艺路线进行有效控制。

2 机械设计中材料应用工作需要做到环保性与节能性的统一

机械设计材料应用工作环保性与节能性的统一作为生态经济社会建设发展过程中可持续发展观念赋予机械设计工作的新要求，需要引起设计人员的特别关注。经济社会在发展过程中对于各种不可再生原材料的需求与消耗，最终势必会给机械设计材料的选择与应用工作埋下严重的隐患，因而材料应用工作中节能性与环保性的统一已成为我们下一步工作的重点。以机械设计铸件环节材料的应用工作为例，铸件设计阶段5％左右的成本决定着80％左右的铸件生产成本。这带给我们的启示是：关注机械设计材料应用阶段的节能环保，不仅可以有效节约原材料和成本，减少不必要的能源耗费；与此同时，广泛的创新空间还能够满足机械设计中材料应用环节的环保性要求。

五、结语

伴随着现代科学技术的蓬勃发展与经济社会的不断进步，人民日益增长的物质文化与精神文化需求对新时期的机械设计行业提出了更为全面与系统的要求，机械设计材料的选择与应用在整个机械设计过程中所占据的地位也日益重要。