机械设计中的材料的选择和应用

摘要：随着工业发展的高速前进，人们对机械设计材料的选择和应用的要求也越来越高，做好机械设计的材料的选择十分重要，这也成为了机械设计行业的难点和重点，在保证机器正常的刚度强度下，节约材料，环保节能，提高机械的经济性，适用性成为了本行业研究的重点。本文简述了关于机械设计的材料选择和应用的重要意义，对机械设计材料的特点和选择进行了分析。

一、机械设计中的材料的选择和应用的分析

    随着经济的高速发展，环境、资源等诸多问题也慢慢随之浮出水面，在大量开发之后一些机械设计中重要的资源已经变得越来越少，尽管我国地大物博，但人口众多导致了人均占有量居世界末尾，同时一些竞争引发了资源的不稳定性，使得机械制造的材料成本增高，进一步压缩了应用空间，因此我们应该在机械设计的材料选择方面做更多的研究，以便于减轻机械制造的负担，增加机械效率，提高机械寿命，同时也做到节能减排，保护环境，为可持续发展做出贡献。

二、机械设计常用的材料

1、金属材料

    在各类工程材料中，以金属材料（尤其是钢铁）使用最广。据统计，在机械制造产品中，钢铁材料占90%以上。钢铁之所以被大量采用，除了由于它们具有较好的力学性能（如强度、塑性、韧性）外，还因为价格相对便宜和容易获得，而且能满足多种性能和用途的要求。在各类钢材中，由于合金钢的性能优良，因此常常用来制造各种零件。

    除钢铁以外的金属材料均为有色金属。在有色金属中，铝同及各合金的应用最多。其中有的质量最小，有的导热性和导电性能好等优点，通常还可以用于减摩及耐腐蚀要求的场合。

2、高分子材料

    高分子材料通常包含三大类，即塑料、橡胶及合成纤维。高分子材料有许多优点，如原料丰富，可以从石油天然气和煤中提取，或地区是所需的能耗低；密度小，平均只有钢的1/6；在适当的温度范围内有很好的弹性；耐腐蚀性好等。例如，有“塑料王”之称的聚四氟乙烯有很强的耐腐蚀性，其化学稳定性也极强，在极低的温度下不会变脆，在沸水中也不会变软。因此，聚四氟乙烯在化工设备和冷冻设备中有广泛应用，但是高分子材料也有明显缺点，如：容易老化，其中不少材料阻燃性差，总体上讲，耐热性差。

3、陶瓷材料

    作为工程结构陶瓷材料，有以氮化硅，碳化硅为主要成分的高温结构陶瓷，有以氧化铝为主要成分的刀具结构陶瓷。陶瓷材料的主要特点是：硬度高、耐磨、耐腐蚀、熔点高、刚度大以及密度比钢铁低等，。陶瓷材料常被称为：“像钢一样强，像金刚石一样硬，像铝一样轻”的材料。目前，陶器材料已应用于密封件、滚动轴承和切削刀具等结构中，但是陶瓷材料的主要不足是比较脆，断裂韧度低，价格昂贵加工工艺性能差。

4、复合材料

    复合材料是由两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料复合而成，不同的材料可分别作为材料的基本相和增强相。增强相起着提高基本想的强度和刚度的作用，而基本相起着使增强相定型的作用，从而获得单一材料难以达到的优良性能。

三、机械设计材料的选择原则

（一）载荷应力大小和性质

    这方面的因素主要是从强度观点来考虑，用在充分了解材料的力学性能的前提下来进行选择。脆性材料原则上只适用于只在静载荷下工作的零件。在多少有些冲击的情况下，应以塑性材料作为主要使用的材料，。金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于最常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。

（二）机械的工作情况

    工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的应力，或者是配合松动；另一方面也要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。机械在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增强耐磨性。因此，应选择合适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。

（三）零件的复杂程度及材料加工可能性

    结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。

（四）机械的经济性

1、材料本身的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选择价格高的材料。这对于大批量制造的零件尤为重要

2、材料的加工费用。例如制造某些箱体类零件，虽然铸铁比钢板廉价，但在批量小时，选用钢板焊接比较有利，因此可以省掉铸铁的生产费用。

3、材料的利用率。例如采用无切削或者少切削毛坯（如精铸，模锻，冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。

4、采用组合结构。例如火车车轮是一般材料的轮芯外部热套上一个硬度而耐磨损的轮毂

5、节约稀有材料例如铝青铜代替锡青铜制造轴瓦，用锰硼系合金钢代替镍系合金钢

6、材料的供应状况。对于小批量的零件应尽量减少同一部机器上使用的材料品种和规格

结语：机械设计材料选择在工程上的应用十分重要，我们要从材料的种类和材料的应用原则两方面进行对对材料的选择，才能更加环保，高效的完成设计。