机械设计中的材料选择和应用思考
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【摘 要】随着我国社会经济的飞速发展，对于机械方面的要求也越来越高。在机械设计中，材料的选用是机械设计的关键。这是因为合适的材料能提高机械运转的效率和性能。基于此本文着重探讨了机械设计的材料选择和应用，希望对读者提供有益参考。
【关键词】机械设计；材料；机械生产
机械行业与人们的生活密不可分，两者是互相促进与发展的关系，机械推动人们生活水平的提高，实现生活现代化；受助于现代化生活水平，科学技术也因此提高，从而促进机械行业的发展。对于机械设计领域来说，材料的优劣决定了机械的性能和运行效率，所以选择合适的材料是决定机械水平的关键。
一、合适的材料对于机械设计的重要性
随着我国工业技术水平的发展，机械行业也朝着巨型化、微型化的两大趋势在发展。基于这两大极限的发展方向，材料在机械水平提升中，起着重要的决定性作用，这是因为机械巨大化和微型化时出现了大量的问题，这些问题严重限制了机械性能和效率的发挥。一些大型机械达不到相应的强度，那么会限制其使用的范围；一些微型机械精细化达不到一定标准，那么机械化则失去意义；因而要想机械能够实现一定的强度或精细化的标准，则要确保机械设计中的材料是否能够承载其设计的目标。
此外，随着人们对环境保护越来越重视，一些机械材料也尽可能的要具有环保的特性，防止对环境造成重大危害，这对于机械设計来说提出了更大的要求。对机械要求减少对环境和周边人员的影响，实现机械设备的可回收性等环保要求。
机械设计中，选用合适的材料不仅能够提升机械的性能，还能让机械更经济环保，促进机械设计行业的长远发展。
二、机械设计材料的选择
（一）选用低污染、低能耗材料
在材料选择上，要遵循生产过程低污染、加工过程低污染以及应用过程低污染的原则。只有这样才能确保在生产、加工、使用三个领域做到材料选择的环保性，鼓励其材料行业的经济环保健康发展。
设计人员在材料选用上，还需要注意以下两个方面：1、选择未经过热处理的材料；2、如果一定要选择经过热处理的材料，那么就选择热处理程序相对较少的材料，确保材料对能源消耗和污染的最小化。
（二）依据使用原则选择材料
机械设计涉及到不同的零件，而每个零件都需要符合特定需求，这要求设计人员在设计时要充分考虑材料的实用性，实现机械的实用需求最大化。部分机械对强度有较大要求，那么在零件选用上就避免华而不实的零件。机械对不同零件的需求不同，设计人员要考虑其机械设计的实际使用需求。
（三）材料选用考虑载荷
对机械设计中，需要对机械的载荷进行有效计算。计算的目的是因为要选择合适承载能力的材料进行装配。如果载荷能力过高的材料装配到机械上，则相应的机械成本就为之升高，且因为机械所涉及的使用需求并不需要如此高的承载能力，因而浪费了其高载荷材料的性能；如果载荷能力低于设计需求的材料装配到机械上，那么则因为达不到机械设备的强度需求，影响机械的使用寿命，甚至会出现严重的安全事故。
所以，在机械设计时进行载荷计算，就是为了评估其材料选择的适配性，基于成本、环保的特点来选择材料，实现经济性和使用性的统一。
（四）选用低毒性材料
一些机械材料在使用过程中会产生对人体有害的物质，严重影响机械操作者的身体健康，因此在设计过程中，要极力避免此类材料的选用。
例如，含镍的物质在工业领域中属于毒金属材料，设计过程中要避免选用此类材料在机械的应用，如果涉及环节必须使用此类有毒材料，那么一定要在人体接触区域进行无害化处理，最大程度的降低有毒材料对人体的伤害。
三、各种材料在机械设计上的应用
（一）陶瓷材料的应用
机械设计中可选用新兴材料，例如陶瓷材料就是较好的选择，首先它的硬度很高，常应用于制作密封零件；陶瓷还具有耐磨、耐腐蚀的特点，适合应用于化学仪器的制造；同时陶瓷材料还具有不俗的电特性，通常用于制作电容器，在铁电陶瓷的作用下其电容器的形状会有所变化，能够把电能转换为机械能，基于陶瓷材料的这种特点，声呐、扩声机利用其性能实现功能的最大化。
除了常规陶瓷材料，新型纳米陶瓷的研发，让陶瓷材料的应用范围越来越广泛，在航空航天和卫星通讯都需要纳米陶瓷材料[1]。
（二）复合材料的应用
利用物理或化学的方法，把两种或两种以上具有不同性质的材料，进行一定的加工和处理，宏观上组成了具有新性能的新型材料。符合材料具有扬长避短的特点，由于原组成材料。符合材料能够综合各种材料的优缺点，组合搭配，实现性能需求个性化的定制，满足机械领域的不同设计需求。
符合材料主要分为金属材料、非金属材料两大类：金属基体常用的金属元素有金、银、铜、铁以及各类合金；非金属基体主要由树脂、橡胶、石墨等材料。
复合材料相对于原组成材料，它具有强度更高、稳定性强、隔音吸声效果棒、防电、防热等优点，对于像航空航天、医疗器材等高精尖领域，对于此类材料有较高的需求。
（三）高分子材料的应用
以化合物为基体，通过使用特定的添加剂添加进基体中，这种物质被称之为高分子材料。相对于复合材料、陶瓷材料等制作工艺要求高的材料来说，高分子材料更容易获取，例如塑料、合成纤维就是生活中常见的高分子材料。高分子具有可再生与可循环的特性，符合机械设计材料的环保要求；同时高分子材料还可替代部分金属材料，个别材料的特性比金属材料更具优势，例如聚甲醛材料拥有着更高的耐磨性，常用于齿轮、轴承等设备的生产。在汽车制造业，高分子材料也被广泛采用，它能减少汽车重量，减少对能源的消耗。
（四）金属材料的应用
金属材料在机械设计中占据着相当大的作用，也是使用时间最长、频率最高的材料，可以说机械是由金属所组成。在机械领域里，以金属为主或金属元素，都被称之为金属材料，最常应用的金属元素有铁、锡、铜等。作为自然元素，金属材料获取成本相对于复合材料、高分子材料来说，价格更为低廉、技术水平要求较低。同时金属材料具有一定的强度和韧性，能够满足一般机械生产对材料的需求。
除了单一金属材料之外，对于金属材料的研发也随着技术的不断发展，而出现一大批新型的合金材料、特种金属材料。合金材料拓展了金属在机械制造的使用范围，让制造的金属具备更高的强度和性能。合金材料和特种金属材料在高科技领域也越来越被广泛使用，其研发前景广阔，是材料学的重要研究方向[2]。
（五）合金钢与碳素钢的应用
碳素钢作为当今机械设计使用最广泛的一种材料，有着加工工艺难度低、价格低的优势，但是它的韧性和强度相对较差，不适合用于制作中等形状以上零件。
为了解决碳素钢的缺点，为其添加了一定的合金元素，研发出了合金钢。合金钢相较于碳素钢提高了韧性和强度，同时淬透性、耐磨性也增强了。通常在防止零件产生淬火裂纹、零件变形或者在荷载压力大的情况下，才会使用合金钢。
四、结论
综合上述，在机械设计的材料选择上要根据机械的使用需求，依据机械设计的需求，选择最符合需求的材料，结合经济性和环保性的要求，使得有限的材料资源能够充分利用。
【参考文献】
[1]池占山.机械设计中的材料选择及应用探讨[J].中国高新技术企业，2015（21）：17-18.
[2]李冠效，雷长贵.机械设计中的材料的选择和应用解析[J].硅谷，2014，7（02）：86-87.