宋佳珍

摘 要：机械设计现已成为市场经济转型发展中的重要设计类型，机械设计与工业设计两者之间关系密切，随着我国工业的迅猛发展以及高新材料的应用，材料设计的重要性日益凸显。鉴于此，本文将探究机械设计中的材料设计方法，旨在为一线设计提供理论指导。

关键词：机械设计；材料设计；方法

在全球制造业迅猛发展的环境中，我国机械行业新产品层出不穷。在市场导向原则的引领下，越来越多的设计人员开始关注机械性能、寿命、经济等因素。随着众多新机械材料的引入，人们对于材料设计的关注力度空前高涨。

一、材料设计概述

与传统机械性能设计不同，现代机械设计已经成为了一项综合性的设计学科，其包含环境学、材料学以及美学等众多因素。机械设计中的美学就是产品外观设计，在上个世纪初期，人们对机械产品的美观要求不高，对机械设计的美观程度关注度不高；随着时代的发展以及人们生活质量的提升，人们开始关注机械设计的美观度，在购买机械产品时也将外观因素纳入其中，美学设计的重要性日益凸显；环境学的引入是在全球资源短缺、环境污染加剧的背景下引入的，人们在购买机械产品时会考虑机械对环境的影响及对人类可持续发展的影响；随着材料科学的发展，材料学被引入到机械设计中来，因材料性能不同，其对机械产品的性能也会产生较大影响。这些方法的引入一方面增加了机械设计的选择性，一方面也增加了机械设计的难度。在上述引入中，材料学一直备受社会各界关注，尤其是在材料类型越来越多的今天，材料设计已经成为机械设计的重中之重。在具体机械设计过程中，设计人员必须按照自己的设计需求选择性能相符的材料，才能达到预期设计效果。为了更好的满足机械产品性能和外观需求，设计人员必须熟悉机械设计中的材料性能并动态关注新材料的发展及应用，只有这样才能科学合理的选择材料。不同材料的性能直接影响着产品机械寿命，故而，设计人员在机械设计过程中，可结合客户实际需求，进行材料寿命核对，在满足产品预期要求的基础上，节约材料使用。

二、机械设计中的材料设计方法

1.关注材料的使用性能

众多机械设计专家均明确指出，在机械设计及应用过程中，设计人员必须关注材料的使用性能，一方面需要关注不同零件之间的合理搭配，一方面还需要关注零件材料的合理性。在机械运行过程中，材料会直接影响机械使用性能，材料的韧性、强度、硬度等特性均能反应机械使用中的材料特性。例如，在某个零件的设计过程中，若不合理的选择了材料、材料应用不准确，则势必无法满足零件特性要求，进而导致机械使用过程中出现故障。对于客户来说，即使出现很小的故障，也会影响到客户机械使用的寿命及整体性能，从而使客户满意度降低。故而，要想做好材料设计工作，必须要关注材料使用性能，合理选择材料使其更好的满足机械运行中的各种化学、机械等性能要求。现代机械设计过程中，我们可以通过有限元软件来分析材料的使用性能，综合分析零件的受力状况，或者在电脑中输入工作条件，计算出材料内部的应力情况，进而指导我们发现危险点。然后按照传统方式校对机械危险点，合理选择其他可防范危险点的类型材料。

2.關注材料的工艺性能

机械材料的工艺性指的是材料自身能适应不同加工工艺要求的能力，尤其是对于加工工艺较特殊或较为复杂的零部件来说，必须选择特殊的材料，才能满足这种加工工艺的要求。故而，这就需要设计人员在机械设计过程中多关注材料工艺性能。现阶段，人们对机械产品的要求趋向于美观、小巧，并要求功能齐全、结构紧凑。现在的机械连接也摒弃了传统不可拆连接、螺纹连接为主的局面，转向依靠各个零件的结构型锁进行连接，这些都加剧了材料设计的难度。在现在的材料市场当中，碳素钢应用非常广泛，其因成本价格、操作性能以及加工性能等优势备受关注。但是，机械设计人员不难发现碳素钢会存在韧性低、强度低等缺陷，中等形状以上的零件无法热处理，这就导致了碳素钢在具体应用中受到限制的问题。大量实验证实，含有某金属的合金钢其机械加工性能大大提升，与单纯碳素钢相比，其工艺上更能满足机械加工需求。例如，若一零件对于表面硬度要求标准较高，如果使用碳素钢并对碳素钢进行提升表面硬度的处理，那么碳素钢很容易出现裂纹等损坏的问题，而加入某项金属元素，就能有效避免裂纹等问题，进而满足了机械结构设计要求。这就需要设计人员不仅应关注机械设计本身，还需要全面了解材料工艺性能，合理选择材料。

3.关注材料的经济性能与环境性能

设计出的机械产品在满足工艺性与使用性能的基础上，还需要满足经济性能指标。不同的材料其自身价格也有所不同，机械设计人员所设计的产品应满足经济性要求，力求成本低、周期短，且使用效率高、燃料消耗少、使用范围广、维护费用低。这就要求设计人员选择标准、通用的零部件来保证质量、简化设计，并积极选择改进性能、使用提高质量的新材料与新结构，及时引入先进的设计工艺与生产装配工艺，减少零部件结构以及转动链种类。

在现代设计过程中，我们还需要积极考虑材料的环境性能。在设计过程中尽可能避免选择储量较少的材料，例如，尽量找到钨的替代品并进行性能优化，在满足机械性能基础上降低使用成本。另外，还需要降低同一机械产品中的材料种类，积极选择可回收、可再生的资源，这样有利于机械报废后的资源再回收。

三、机械设计中的材料设计新方向

随着社会的不断进步，传统材料设计存在的问题越来越凸显，传统材料设计方法急需优化，站在工业设计方法角度分析，笔者认为材料设计需要从系统功能与理论角度出发，充分考虑不同零部件的性能，还需要考虑不同零部件之间的功能影响。在分析材料功能时，需要考虑三方面内容：①技术功能需要被明确要求，用技术性能参数表示。②分析功能成本，从而找到功能好、成本低的设计方案。③定性与定量分析。在综合分析产品定性与定量之后，找到优化的材料设计方案，为接下来的设计工作做好准备。在向现代材料设计转变的过程中，我们需要做好如下几点：①树立全新的功能观与系统观。在机械设计过程中，没有绝对的好坏材料，不能以某种性能定义某种材料的特性，只能选择最合适的材料。选择材料需要考虑功能与成本的平衡点。在设计过程中，不能仅考虑该种材料做某种零件是否合适，还需要看这种材料、这种零件在整个机械运行中是否合适。②建立基于互联网平台的材料设计库。传统查手册设计法已经无法更好的满足现代设计需求，在知识经济中，应积极建立基于互联网的数据库，数据库中不仅包含传统常用材料，还需要包含用户材料库，也就是有关经营部门或生产厂家直接访问该网站，及时纳入国内外的最新材料数据信息。全面系统的数据库一方面能满足现代机械设计的高效要求，还可以与即时技术、CAD/CAE等技术相适应。

结语：

综上所述，本文以材料设计概述为切入点，从关注材料的使用性能、工艺性能、经济性能与环境性能等角度，详细论述了机械设计中的材料设计方法，并探究了材料设计新方向，多方面入手，旨在为材料设计提供理论指导，设计出性能高、功能良的新产品。

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