徐东东 孟子龙 白芳博
西安文理学院 陕西西安 710000
摘要：在机械设计中，材料的选择和应用至关重要，是关键性的环节，与机械设计的品质和功能息息相关。在当前的形势下，资源存在匮乏的现象，使得材料的有效使用备受关注，更加追求可持续发展战略的应用，因此，针对机械设计的选择和应用，要立足长远，在满足质量要求的前提下，选择经济、绿色、环保的新型材料，实现机械设计材料选择和应用的科学化与合理化。
关键词：机械设计；材料；选择；应用
1机械设计中材料选择和应用的含义
随着机械设备需求量的提升，人们对机械设备的质量和功能要求也越来越高，在这样的环境下，做好机械设计工作对机械设备生产企业来说意义重大。在机械设计中，机械材料是机械设备的主要构成元素，在选择机械设备材料时，一定要科学合理。在应用材料前，设计人员要先对材料的各项性能进行检测，检测其是否会对机械设计质量产生影响。在机械设计中，一定要做好设备材料的选择和应用，不仅要保证材料具备实用性，还要保证机械设备的经济环保性原则，促进机械设计行业的多元化发展。其中材料是构成机械设备的最基本元素，材料选择是否科学、应用是否合理将对机械设计的质量造成巨大影响，因此在机械设计中一定要做好材料的选择与应用工作，一方面确保所用到的材料具备适用性和实用性，另一方面还要尽量考虑经济性和环保性等方面，以使机械设计行业实现可持续的发展。
2机械设计中材料选用的原则
2.1注重材料的经济性与适用性
所谓经济性与适用性，就是选材要量体裁衣，根据机械产品的质量要求、用途以及机械制造过程中的铸造工艺、装配工艺和焊接工艺等环节的要求，选择既能满足要求，又价格低廉的材料。比如，在金属材料中，钢铁的价格是很便宜的，因此在选材时，在满足要求的前提下，可以尽可能地选择钢铁。再比如，铜和铝都是电的良导体，铜的电阻率比铝更小，但是铝的价格比铜便宜许多，当满足需要时，尽量选用铝而不是铜作导电材料。这样就可以在保证产品质量的前提下实现最大的经济效益。
2.2在选材时考虑节能与环保因素
节能与环保是21世纪以来全球广泛关注的话题，我党提出了“绿色发展”“人与自然和谐相处”等议题。在机械设计中，尤其要重视节能与环保。尽量选择可再生、易回收、环境友好的材料。在选材过程中，要优先选用可再生资源材料，优先选用环境友好材料，优先选用便于回收的材料。例如在选用塑料时，要避免选用不可降解的塑料，在可行的前提下優先选用可降解塑料。再比如，尽量减少金属材料等不可再生资源的使用，尝试用可再生资源代替。
3机械设计常用材料分析
从大的方面对机械设计中常用材料进行划分，机械材料分为金属材料与非金属材料，其中金属材料又被分为铸铁、钢、铜合金等，而非金属分为高分子材料、陶瓷、复合材料等。这些材料在机械设计中之所以广泛应用，得益于其优良的性能。
3.1金属材料
铸铁的液态流动性、易熔性良好，并且切削性、耐磨性、减震性符合多数零件生产要求，可被用于制造各种复杂零件。依据铸铁中碳的形态及存在形式，铸铁分为灰口铸铁、球墨铸铁，对灰口铸铁而言，内部的片状石墨可对机体产生分割作用，而且可引起应力集中效应，塑性低，铸造性良好。应用时常用的热处理方式有表面淬火、高温退火、去应力退火。球墨铸铁较灰口铸铁塑性高、强度强，应用中常使用淬火+回火、正火、退火等工艺处理。
钢在机械设计中应用极为广泛，依据划化学成分，钢分为碳素钢、合金钢。其中碳素钢的优点较多，价格低廉、产量大、工艺性能及力学性能优良。依据含碳量多少，钢被分为多种类型，见表1。
机械设计中为改善高碳钢的性能，常向其中加入一些特殊元素，形成合金钢。研究发现，合金钢性能除受其化学成分影响外，而且取决于采用的热处理工艺。
铜合金分为轴承、黄铜、青铜合金等，具有优良的液体流动性与塑性，其中青铜合金的抗腐蚀性、减摩性良好，被广泛应用在机械设计中。
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3.2非金属材料
高分子材料中塑料与橡胶是典型代表，在机械设计中应用广泛，其中塑料重量轻，形成复杂零件的难度较小，而且不同塑料具有的性能不良，如摩擦系数大、绝缘性、耐腐蚀性强等。橡胶富余弹性，能较好地吸收冲击能量，常用于制造减震器、联轴器的弹性元件。
陶瓷材料化学性能稳定，高热硬性强，被用于制造磨具、刀具、燃烧器喷嘴等耐腐蚀、耐磨、耐热零件，具有广阔的应用前景。
复合材料有效地克服了高分材料、陶瓷材料的不足，耐磨性、减振性、抗疲劳性强。不过复合材料价格昂贵，多用在武器装备、船舶、航空等领域中，在民用工业中的应用有限，不过随着科技发展，复合材料生产成本的下降，在机械设计中的应用前景极其广阔。
4机械设计材料选择和应用的要求
4.1对材料载荷水平的选择
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。
4.2尽量选择低耗能和低污染材料
这里包括材料本身生产过程中的低耗能和低污染以及材料在加工应用的工艺过程中的低能耗和低污染两个方面，对于前者来说，选择环保型材料作为原材料是一个理想的选择，而对于后者来说，即便材料本身具有低能耗和低污染的特点，但在加工过程中可能会由于工艺的原因产生过多的能耗和污染物，因此一定要做到以下两个方面的要求，第一是要尽量选择不经热处理工艺即可达到使用要求的材料，第二是在无法避免热处理工艺的情况下，应当选择热处理程序较少的材料。
4.3根据使用性要求选择材料
使用性是机械设计中对材料选择和应用的最基本要求，因此在机械设计过程中应当根据不同的零件的不同使用要求来对材料进行选择，例如一些零件对强度要求较高，而另一些零件则对耐磨性或者美观性有较高的要求等，实际工作中要区别对待，科学选择。
4.4材料尽量实现无害化
在机械设计过程中，一些材料中会含有镍、铅、六价铬、砷等元素，这些元素往往都会对人体健康产生不利的影响，即便在加工过程中做好防护措施，使得加工过程对人体不产生有害影响，也会由于其随着废弃物排放到外界环境中，在污染环境的同时，在生物体内完成积累，从而对人体产生间接影响，因此实际工作中要谨慎选择。
4.5优先选择可循环利用性好的材料
机械设计过程中用到的材料大多数都是金属类的，不同的零件所使用的金属种类繁多，而且为了达到某种功能要求还必须将若干种金属混合在一起作为合金材料使用，虽然达到了机械的使用要求，但一旦机械报废，就增加了对这些金属材料的回收难度，增加了回收成本。为达到废物资源化的目的，在机械设计过程中应当考虑所用材料的可循环利用性，例如对金属材料的选择上，可对一个零件选择用单一的合金，且组成合金的金属元素种类越少越好。
5结束语
随着当代科学技术的进步和我国社会主义经济建设的蓬勃发展，我国工业机械化建设不断取得新突破，而伴随着机械化建设发展出现的就是机械原材料的过量消耗和浪费。为了降低机械材料的过量消耗和浪费，合理选择和利用材料成为当下机械设计的可持续发展方向。充分分析设计需求和材料特征，合理利用经济性、绿色无污染、安全环保的新型机械加工材料，已经成为机械化发展的必然趋势。
参考文献：
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[2]张露.机械设计中的材料选用浅析[J/OL].中国高新技术企业，2017，（11）：104-105.
[3]李春艳.金属材料在机械设计中的选择与应用[J].中国金属通报，2016，（10）：48-49.
论文作者:徐东东,孟子龙,白芳博
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/7
标签：材料论文; 机械设计论文; 过程中论文; 金属材料论文; 零件论文; 铸铁论文; 工艺论文; 《建筑模拟》2018年第1期论文;