【摘 要】材料的选择与应用是机械设计的两个重要环节，能为机械行业的后期生产指明方向。本文立足于机械设计中的材料，通过分析和探讨机械设计中材料选择与应用的重大意义、材料的选择原则、材料的应用原则，认为搞好机械材料选择及其应用工作对于实现社会的节能减排，创造更多的经济效益，促进整个机械行业快速发展有着重要作用。
【关键词】机械设计 材料 选择 应用
随着我国经济的发展和城市化进程的不断加快，机械行业在整个国民生产中所占的份额也越来越大。在新的背景下，人们对机械设计中材料的选取和应用也提出了更高的要求。因此，为了推动社会经济可持续发展，相关设计人员必须在保证机械材料满足施工要求的基础上，不断提高机械设计中选择材料的标准，使得各个材料零件协调配合，得到最好的应用。
一、机械设计中材料选择和应用的重大意义
当前，部分机械设计所需的重要材料变得稀少。而应用材料的需求却在不断扩大。在这样的背景下，机械材料的市场竞争将变得越来越激烈，机械设计的选材以及企业后期的生产空间也将被进一步压缩。因此，如何把握市场方向，了解自身优势，在确保机械设计水平的同时，树立良好的经济意识，更好地体现材料选择和应用的适用性原则，不断提高企业竞争力，在竞争中抢占先机、赢得资源成了企业急需深入研究的重要课题。
二、机械设计中材料的选择原则
（一）材料载荷类型的选择。在机械设计工作中，材料的外载荷水平直接影响零部件的性能，某些材料的外载荷水平不足甚至会导致零部件失效。因此，设计人员可以以材料的载荷水平和应力大小作为选材标准。[1]对于外载荷，可以分两个方面进行讨论：当零部件在外力作用下发生形变时其内部将产生大小相等但方向相反的反作用力，我们将这些力的集合称为应力，而应力聚于材料的表面。换而言之，材料表面的总体性能直接影响着零部件的承载力以及工作效果。因此，设计人员如果需要得到承受相当载荷的材料，可以选择低碳钢渗碳或中碳钢调质等方法对其进行加工；对于部分单纯承受压缩或拉伸作用的材料，由于外载荷作用到零部件的横截面，使得应力分布匀称，所以在选材时，应优选性能分布均匀的材料，以保证在加工时材料能得到有效的操作。
（二）合理选择碳素钢和合金钢。在机械设计中，碳素钢（含碳量小于2%，除了铁、碳外，含有少量锰、磷等元素的钢）是使用最早、应用最广的基本材料，其产量占钢总产量约80%。它的性能与含碳量密切相关，如当碳量减少时，钢的强度、硬度便会下降，而塑性、韧性以及可焊性将会提高。因其成本低廉、性能范围宽、加工工艺性能好等原因而深受机械制造企业青睐。但由于它的韧性、强度以及淬透性较差，在冶炼和锻造加工过程中，容易出现结疤、裂纹等问题。[2]它通常用于制造强度要求不高的机器零件和金属构件。为了提高碳素钢的性能，人们又在碳索钢的基础上融入了一些合金元素，得到合金钢。与碳素钢相比，合金钢不仅拥有较好的淬透性、韧性、强度，还具备如耐蚀性、磁性能等特殊性质，可以满足很多特殊生产需要。但合金钢也存在缺点，如合金元素加入后，钢的冶炼以及加工工艺性能变差，成本上升等。因而，只有在制造大截面，形状复杂的零件时，才考虑使用合金钢。当碳素钢能满足使用需要时，应优先选择碳素钢。
（三）选择质量过硬、无危害、可回收的材料。为了发展绿色经济，实现机械设计的可持续发展，机械设计人员必须在选择材料时体现出节能性与环保性。一般来说， 提高机械产品的使用寿命就是在减少材料的消耗和环境的污染。因此，在进行机械设计时，设计人员要本着绿色设计原则，即要综合考虑材料的能耗、材料与环境的兼容性等因素。严格把关材料的质量，从降低环境负荷的角度出发，充分了解不同种机械产品同类零件间的通用性。尽量选择易解体、可回收，对环境没有危害的材料，确保机械材料能得以循环利用。此外，在设计之初，设计者还要考虑到零件的报废处理，包括废品的处理工艺、回收零件的分类等，尽量减少处理成本和资源的浪费。
三、机械设计中材料的应用原则
材料的应用是材料选择的延伸，对整个机械设计工作至关重要。因此，在做好选材工作的同时，还要体现材料应用的实用性和经济性。
（一）材料的应用需体现实用性。在材料设计过程中，设计人员必须考虑材料应用的实用性。材料的应用要以零部件的加工工艺为准。对于机械材料的加工，有很多种加工技术可供选择，如车工工艺、锻造工艺以及热处理工艺等，不同的加工工艺对材料的应用要求是不同的。车工工艺是以车床进行加工的工序方法，它可用于加工各种回转成型面，如：内外圆柱面。因此，它需要材料的应用具备车床作业的可操作特征；锻造工艺是通过对机械材料施加压力，使其产生塑性变形以获得机械性能和具体形状的，它需要材料的应用具备一定的承载力；而热处理工艺是在不改变机械材料形状的情况下，通过改变其内部显微组织，给予其使用性能的，因此，它需要材料的应用具备淬透性。[3]
（二）材料的应用需体现经济性。在保证各个零部件的材料都能满足各种加工工艺要求的基础上，还要根据企业的发展状况，对机械材料的加工成本实施有效的控制，以体现材料应用的经济性。以日本的汽车制造为例，从一个小小的零件到整个车身，日本汽车的整个设计过程都十分重视机械材料的加工成本，为了降低成本，日本的汽车企业不断更新设计理念和制造技术。最终以低成本的价格，高性能的汽车迅速占领国际市场。由此可见控制机械材料的加工成本对企业的经济效益有着深远影响。
四、结语
总之，材料的优选和科学应用对整个机械设计来说非常重要。我们只有充分认识到材料优选的重要性，选择满足生产需要的材料，制定科学合理的材料应用方案，才能不断提高机械设计的水平，促使机械设计行业长效发展。
参考文献：
[1]黄梦奇，王婧浅.谈机械设计中材料的选择和应用[J].机电信息，2012，06
[2]杨忠敏.谈轴承钢及其冶金质量检验[J].金属世界，2011，01
[3]梁凤尧.热处理工艺在金属零件加工中的作用[J].轻工科技， 2012，05
作者简介：龚煌辉（1975-），男，汉族，湖南娄底市人， 湖南师范大学职业技术学院本科毕业， 职称：讲师 ，主要从机械制造技术、机械材料方面的研究。