机械设计中材料的选择和应用
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摘 要：机械行业的发展推动经济的发展，使人们的生活更加现代化，而在现代化的生活背景下，科学水平日益进步，从而又推动机械行业的进步。随着机械行业的逐渐发展，对机械材料的要求也越来越高。合理的材料选择和应用不仅可以提高机械运转性能，还能保证材料的合理使用。据此，以机械设计中材料的选择与应用为论述核心，对设计材料类型、设计材料应用的要点等进行深入分析。
关键词：机械设计；材料；选择；应用
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.1672-3198.2016.15.095
机械行业和我们的生活是密不可分的，二者之间的关系是相互促进的。机械行业的发展推动经济的发展，使人们的生活更加现代化，而在现代化的生活背景下，科学水平日益进步，从而又推动机械行业的进步。机械设计是机械生产的第一步，它直接影响到机械的使用性能。机械设计是在人力、物力、制造成本等多种限制条件下，做出最佳设计方案，让机械能够处于最佳的运行状态。随着机械行业的逐渐发展，对机械材料的要求也越来越高。合理的材料选择和应用不仅可以提高机械运转性能，还能保证材料的合理使用。本文的以机械设计中材料的选择与应用为论述核心，对设计材料类型、设计材料应用的要点等进行深入分析。
1 研究目的
随着科学技术的发展，计算机技术被广泛运用到机械设计中，很多机械设计软件通过计算机应用技术在传统机械设计方法的基础上逐渐开发出来。但是设计方法的提升并不是影响机械生产的唯一因素。因为，经济的发展使机械需求量日益增加，导致设计材料出现短缺的情况，机械设计方法的提升不能解决材料匮乏的问题。材料是构成机械原件的主体，机械生产材料供应不上，会影响机械生产的速度、数量、质量。最终也无法满足人们对生活的需求。在材料选择方面不能只注重它的使用效果，还应该考虑机械设计材料的使用成本。所以在机械设计材料的选择与应用方面，在注重机械高效性能的同时，也要结合使用材料的经济性、环保性。只要这样才能保证机械行业的健康发展。
2 材料选择的类型
2.1 金属材料
金属材料是机械设计中使用时间最长、使用频率最多的材料。通常情况下，以金属元素或者以金属元素为主组成的具有金属性质的材料都可以称为金属材料。目前，自然界中金属材料的种类达到了近80种，最常见的有金、银、铜、铁、锡等。也正是因为如此，才使金属材料成为机械设计中最受欢迎的材料。此外，大部分金属材料都具有一定的韧性与强度，极大的满足了机械生产对使用材料的要求。金属材料类型也不是单一的，金属材料又分成纯金属材料、合金材料、特种金属材料以及金属间化合物材料，金属合金材料的出现不仅提高了机械的使用性能，更拓展了金属材料在机械设计中的使用范围。尤其是特种金属与金属间化合物材料，在科技核心领域被广泛使用。
2.2 复合材料
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料具有稳定性好、强度高、比刚度高等特点，并且很多复合材料具有导电、防热、屏蔽、吸声、磁性等性质，这些特点与性质使拓展复合材料的使用范围，像航空航天、医疗器材、建筑设施都用复合材料的身影。
2.3 高分子材料
高分子材料是指以化合物为基体，根据使用要求向化合物基体中加入与之匹配的添加剂或者助剂，因此高分子材料又称为聚合物材料。生产高分子材料的原料十分丰富，这使高分子材料更加便于获取，像生活中常见的合成纤维以及塑料就是高分子材料的代表。高分子材料可以从自然界中提取，具有可再生与可循环的特性。它和金属材料相比具有很大的优势，金属是不可再生资源，随着机械使用量的增加，金属材料日益减少，高分子材料在很多机械生产可以代替金属材料，例如聚甲醛材料聚甲醛具有很强的耐磨性质，可以拥有齿轮、轴承、螺母等机械设备的生产。因此，在汽车制造业高分子材料被广泛运用，在减少汽车自身重量的同时，也减少了能源的消耗。
2.4 陶瓷材料
陶瓷材料是指用天然或者合成化合物用高温烧结而形成的一种非金属材料。目前，陶瓷材料主要分为：氮化硅与碳化硅两种类型。陶瓷材料的硬度很高，通常被用来制作密封零件，并且陶瓷材料具有耐磨、耐腐蚀的特点，很多化学仪器的制造也会采用这种材料。此外，由于陶瓷材料的电特性，通常用来制造电容器，这种电容器在铁电陶瓷的作用下形状会产生变化，能够将电能转换成机械能，像超声仪、声呐、扩音机都是利用陶瓷材料的这种性能。此外，随着纳米陶瓷技术的出现，像航空航天、卫星通讯等高精领域都运用到了陶瓷材料。
3 材料选择与应用的要点
3.1 材料负荷性
机械设计中对于材料荷载水平的选择是很重要的，这是因为在机械设计的过程中一些材料由于荷载水平较低的原因可能会导致出现后期抑制失效的情况，使得机械零件不能发挥出应有的作用，因此在机械设计过程中应当首先对拟用到的材料进行载荷水平方面的评估，优选载荷水平较高的材料，并在有需要的情况下对材料进行后期处理，以使材料的荷载水平得到进一步的提高，例如对低碳钢进行渗碳以及对中碳钢调质等。
3.2 材料实用性
机械的种类多种多样，材料的可选择性也是如此，在机械材料设计中材料的选择不一定要最好的，但是一定要选择最实用的。例如在汽车制造种，变速箱可以说是磨损度最大的部位，因此变速箱中的零件大多采用锻钢、铸铁等坚固、耐磨性材料；汽车的散热器（水箱）作为引擎的冷却系统，可以让引擎始终在正常温度下运转。冷却系统的零件大多采用铝制品，应为铝制品具有耐腐蚀的特点，在潮湿的环境下不会生锈，此外和其他材料相比铝的质量很轻，可以减少汽车重量。
3.3 材料经济性
在机械设计中要注重材料的经济性。在机械设计当中，使用的材料都要求很高，那么价格上也是会相对昂贵的，所以在材料的选择上往往会注意材料的经济性，也就是价钱，从经济性方面考虑，就是要求机械设计过程中要尽量节约材料成本和加工过程中产生的成本。我们不仅仅要选择质量好的材料，还要对材料的价格进行控制，不能铺张浪费，也不能随意购买，要对材料的性能和价钱多做考虑，选择适合产品机械设计的，同时还要选择价格合理的。
3.4 环保与可持续性
机械行业对经济的发展起到了推动作用。但是，人们在追求经济发展的同时，却忽视了环境保护以及发展的可持续性。金属是机械设计中使用最广泛的材料，在金属材料冶炼的过程中，会投入大量的人力物力，使用成本过大。此外，由于冶炼技术、工序等问题，容易造成重金属污染，导致生态系统遭到破坏。随着机械需求量的增加，金属资源匮乏的情况日益突出。因此，在机械设计中尽量选择环保性的原材料，并且要对报废的机械进行分解，实现资源的可循环利用，尽量使用组合较少的合金，这样可以减少提取材料的成本。同时在不影响机械性能的情况下，可以采用高分子材料、复合材料以及陶瓷材料代替，这些材料都是可以从自然界中直接提取，具有可再生性。通过替代金属材料的方式，来减少金属的使用量，实现金属资源的使用的可持续性。
4 结束语
随着机械设备需求量的不断增加以及机械设备使用概率的不断提升，使得人们对机械设备质量和功能的要求也越来越高，因此做好机械设计工作对于机械设备企业来说具有十分重要的意义。目前，由于经济、技术等原因，我国机械设计大多以金属为主，对于高分子、复合、陶瓷等新型材料的研究还处于起步阶段。这不仅造成金属资源匮乏，也破坏的生态环境，加之缺乏完善的金属开采技术，造成了大量金属资源的浪费。因此，我国应该在提高金属使用效率的同时，还应该加大新型材料研究的投入力度，要站在科学的制高点，研发出更具经济性、环保性、可持续性的机械设计材料，这样也促进社会的和谐发展。
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