做好機械設計需要掌握哪些材料知識？

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這就是所謂的設計能力之一吧，其實一個好的產品設計，在材料的選擇上至關重要，甚至到了生死存亡的地步，“材料不對，一切白費”，這并不是一句單純的行業告白，而是多少人前赴后繼的血淚良言。

其實機械設計是一個很廣泛的概述，這里面又分了很多細分行業和專業，而且每個細分行業所注重和用到的材料是完全不一樣的，這也是為什么很多跨行的機械設計總是會在前期有很多失敗和彎路的原因，也算是一種試錯成本吧。

那下面就我所在的行業，以及本人對材料的一些粗淺認知做一個分享，當然這個內容一定是有局限性的，不一定正確，但是我分享的選擇方法還是具有普遍適應性的，可以供大家參考。

通常我們選擇一個設計零件的材料，會從以下幾個方面來選擇。

01 材料剛性是否足夠

根據你的設計要求，首先要考慮的就是材料的剛性，因為材料的剛性決定了你的產品設計的可行性，記住，我們是在做一款產品，產品是需要在實際工作中使用的，是需要一定的穩定性和耐糙性的，所以我們選擇的材料一定要考慮產品的使用范圍，使用環境，使用強度等等因素綜合來考慮對零件材料的選擇。

例如我們做一臺立式加工中心，我們通常對基礎大件選擇的是HT300的灰口鑄鐵，因為這種材料具有較好的剛性，為什么我們不選擇塑料材質來做，因為塑料材質根本就沒有強度和剛性，一受力就掛了，所以這是我們選擇的一個原則，當然灰口鑄鐵有很多種，例如HT200、HT250等等，為什么我們要選擇HT300呢？因為HT300的硬度更高一點，其實HT250也是經常選擇的一種，但是基本上也就是這兩種了，這里面有很多前人們積累下來的經驗，我們的很多設計其實都是建立在很多前人們的經驗上去完成，如果每個產品都去做一些列的強度或可靠性的試驗，那真的黃花菜都涼了，市場需求是不等人，我們只有充分的利用前人的經驗和成果，我們才能真正去贏得一個未來。

其實很多“朋友”一直就喜歡抬杠，總是說沒有經過校核和試驗的設計就是不負責任，但是前人設計的產品都在市場上運行了幾十年了，而且市場的保有量都在幾萬臺以上，對于這種成熟型產品根本就不需要去進行所謂的論證，改進設計也要現實一點，企業給你錢是讓你幫他賺就更多的錢，而不是讓你來完成你的學術追求的，在企業講的就是如何快速的與市場對接，快速的將自己的能力通過市場的需求變現，這才是最真實的職場現狀，所以作為一個企業人，一定要善于利用前人的經驗和成果，那就是一座座金山，等待你的發掘和采納。

根據行業特點，非標工裝設計，我個人覺得應該是45號鋼和鋁合金用得比較多一些，如果是機械加工的工裝設計，那45號鋼和合金鋼會用的多一些，如果是自動化行業的工裝設計，那鋁合金可能會用得多一些，主要還是更具剛性來判斷，當然具體的情況，還得從你自己的角度出發。

02 材料防銹如何處理

很多機械設計者往往會忽略掉這個問題，如何防銹處理其實是一個很重要的問題，這不僅關系到產品適用的穩定性，也關系到產品的外觀質量，對于工業技術產品慢慢開始與藝術接軌的今天而言，忽略產品的外觀簡直是不可原諒的過錯，很多人愿意為你的產品買單，并不單單是買一個功能，也是在購買一個心情，購買一個建立在可以欣賞基礎上的實用物，所以我們作為一個產品設計者，一定要極度的關注零件的防銹問題。

例如我們經常使用的45號鋼如何防銹處理，通常我們會選擇“發藍”處理，這是工業產品針對該材料做得最多的一種防銹處理方式，該方式的價格低廉，而且可以讓零件煥發出一種厚重感，給人以信心和可靠，或者對零件進行噴漆和噴塑處理，這也是很多產品，特別是外觀處理上使用很多的方式，或者根據環境的使用要求，對零件不進行單獨的處理，而是在使用過程中利用封油或防銹液進行保護，這也是在機械加工工裝中用得比較多的方式，無論是什么方式我們都得選擇一樣。

當然如果上述方式都不太適合，那我們就必須跟換材質，例如我們可以選擇不銹鋼，這樣就可以基本上杜絕防銹處理這個尷尬了，但是很多所謂的不銹鋼其實并不是完全不生銹的，只是相對難生銹一些而已，所以在使用過程中，我們還是要充分的考慮零件或產品的防銹問題。

03 材料穩定性如何

在產品設計的過程中，我們選擇一個零件的材料，同時還要考慮該材料的穩定性，例如我們前面舉例說明的HT300灰口鑄鐵，為什么機床的大件都是采用這種材料，就是因為這種材料在產品的使用過程中，有著非常好的材料穩定性，無論是熱穩定性還是它的材料組織穩定性等都非常好，而對于高精度機床這種特性的產品，這樣的材料就是非常好的選擇，如果你選擇用鋼來做這樣的基體，那可能你加工的零件時合格，但是裝配后就會發生各種幾何變形，發到客戶手上有又會再次變形，總之就是在不斷的變形中，它們可以隨之溫度，濕度和振動等環境的變化而隨時變化，這對于一個高精度要求的產品而言，簡直就是噩夢，所以在材料的溫度性上考慮是非常關鍵的一個因素，也是決定一個產品成敗的因素。

我們公司最近購買了一臺產品，其工作臺是灰口鑄鐵，可能是HT200的，因為零件的設計強度不夠，太單薄了，還有就是可能在零件鑄造完成后沒有經過二次時效處理，所以機床購買回來后，工作臺面的精度一直在變，我們自己重新研磨和調試后還是在變化，這根本就沒有辦法調試，更別提后續如何正常使用了，這樣的產品在實際上就是個廢品，雖然從外表上看，什么功能都和齊全，而且各種動作都能夠做出來，操作系統也很正常，但是最重要的精度沒有，我們需要的是加工精度，這對我們來說就沒有任何意義了。所以作為一個設計工程師，一定要考慮材料的穩定性。

材料的穩定性就像情人之間的忠誠度，如果沒有這個忠誠度，任何海誓山盟，花言巧語，男才女貌都是假的，沒有意義，都是不可靠的。

04 材料加工性能如何

材料的加工性能，其實這是機械工藝工程師的內功，當然一個機械設計工程師還是要有基本的概念，這也是為什么圖紙設計完畢后，一定會有一個機械工藝的工程師簽一個會審的名字，因為他需要對這個零件的材料進行加工性能的評估。

什么是材料的加工性能，說得直白一點就是零件是不是好加工，例如45號鋼就很好加工，但是不銹鋼就不好加工，這種材料不僅粘刀，而且切削性能也不好，硬度也較高，所以很多場合雖然我們處于防銹的考慮，選擇了不銹鋼材質，但是有一些加工上就存在很大的問題，例如在不銹鋼上加工小孔，特別是螺紋孔，如M3的螺紋，這個是很麻煩的事情，既容易斷鉆頭，也容易斷絲錐，很多工人都不愿意干，如果是強行要做，那價格也是非常高的，不僅材料費用高，加工費用更高，相比45號鋼不知道要高到哪里去。

而HT300的加工性能就非常好，這也是為什么機床大件會選擇這種材料的原因之一，這種材料很容易加工，而且加工應力也不大，相對來說很容易消除，做的好的加工工藝，會在零件的半精加工前加一道時效處理的工序，這樣可以極大的去掉零件前幾道加工工序產生的加工應力，并最終保證精加工工序的精度的穩定性。

材料的加工性能并不單純牽涉到零件的加工，也牽涉到刀具的選擇，加工母機的損耗，加工效率的低下等等，這是一個很綜合的因素，是值得每個設計工程師認真去學習和研究的知識點，這也是一個設計工程師的標配能力。

05 材料成本如何

零件的生產成本，其實這個成本就是基于以上幾個因素的一個綜合反映，如果你選擇的材料剛性差，不達標，那意味著要顛覆重來，這就意味著成本，如果你選擇的材料防銹不好做，那就意味著不穩定和外觀差，賣不出去，又是成本積壓，如果你選擇的材料穩定性差，產品不好用，一樣是賣不出去，還是成本積壓，如果你選擇的材料加工性能不好，那加工成本就會上升，這還是關系到成本，一個產品設計的好壞，除了要從功能上來評價之外，還需要從成本上來評價。

如果你花一百萬做了一顆很完美的螺釘，你覺得這有意義嗎？有市場價值嗎？沒有，雖然你把事情做得很漂亮，但是這個事情沒有任何意義。

06 最后

一個好的機械設計工程師，一定是基于以上各個因素來統籌考慮產品和零件設計的，如果他都沒有這樣的認知，那基本上也就談不上什么設計工程師，頂多也就是個繪圖員而已，他們是沒有思想和靈魂的，也就是一個工具，一個會呼吸的工具，低能而抱怨多。

當然，我在這里分享的主要是選擇一個零件材料的方法，要從那些方面去入手，切入點在哪里，只有掌握了這些方法，你才能通過這些方法去找到適合自己特定需求的材料，否則你真的無從入手了。

時間不多多益善

在一個行業里常用的材料就這么多，選用特殊的材料在采購時就會困難重重，交期、價格都不穩定，可選的供應商也非常受限。
如果設計時選用的是最常規的材料，了解并計算材料的力學性能、機械性能基本就夠用了。

馬云龍

謝謝樓主的分享

長毛小孩QQ

學習了

飛翔的企鵝y

學習了

看前方

6061 45

冷水黃金

金屬采用鋁合金、非金屬采用尼龍

liuxiaoran

寫非常好，我覺得很悲劇的一個事情就是由于我們大部分人的專業能力不足（雖然你比你周圍好很多）所以你寫越多就錯越多，尤其是很多用詞上就非常容易犯錯誤。。我自己對這些很有體驗，因為你嘗試自己總結自己寫的時候，在比較邊緣的領域，很容易就飯各種錯誤。

liuxiaoran

這就是所謂的設計能力之一吧，其實一個好的產品設計，在材料的選擇上至關重要，甚至到了生死存亡的地步，“材料不對，一切白費”，這并不是一句單純的行業告白，而是多少人前赴后繼的血淚良言。

其實機械設計是一個很廣泛的概述，這里面又分了很多細分行業和專業，而且每個細分行業所注重和用到的材料是完全不一樣的，這也是為什么很多跨行的機械設計總是會在前期有很多失敗和彎路的原因，也算是一種試錯成本吧。

那下面就我所在的行業，以及本人對材料的一些粗淺認知做一個分享，當然這個內容一定是有局限性的，不一定正確，但是我分享的選擇方法還是具有普遍適應性的，可以供大家參考。

通常我們選擇一個設計零件的材料，會從以下幾個方面來選擇。

01 材料剛性是否足夠

根據你的設計要求，首先要考慮的就是材料的剛性，因為材料的剛性決定了你的產品設計的可行性（你確定這句話你自己寫的？別扭的用詞），記住，我們是在做一款產品，產品是需要在實際工作中使用的，是需要一定的穩定性和耐糙性的（看不出這個話的道理和邏輯在哪里，但是大致能知道的意思），所以我們選擇的材料一定要考慮產品的使用范圍，使用環境，使用強度等等因素綜合來考慮對零件材料的選擇。

例如我們做一臺立式加工中心，我們通常對基礎大件選擇的是HT300的灰口鑄鐵，因為這種材料具有較好的剛性，為什么我們不選擇塑料材質來做，因為塑料材質根本就沒有強度和剛性（任何固體都有強度和剛度，還有的剛性這個詞非常的怪，很少看到這么用，塑料的剛度一般金屬第一個數量級，大致在2000-20000MPA這個數量級，才工程材料從剛度不算特別差，這些言論顯得基本功不好），一受力就掛了（尼龍的強度也有靠近200MPA左右，比你鑄鐵低一些，但是強度是一個量級的），所以這是我們選擇的一個原則，當然灰口鑄鐵有很多種，例如HT200、HT250等等，為什么我們要選擇HT300呢？因為HT300的硬度更高一點，其實HT250也是經常選擇的一種，但是基本上也就是這兩種了，這里面有很多前人們積累下來的經驗，我們的很多設計其實都是建立在很多前人們的經驗上去完成，如果每個產品都去做一些列的強度或可靠性的試驗，那真的黃花菜都涼了（確實，但是另外一個原因是中國基本沒什么能力做強度，強度很難，很難，很難很難，我現在腸子都悔青了，也不被社會需要），市場需求是不等人，我們只有充分的利用前人的經驗和成果，我們才能真正去贏得一個未來。

其實很多“朋友”一直就喜歡抬杠，總是說沒有經過校核和試驗的設計就是不負責任，但是前人設計的產品都在市場上運行了幾十年了，而且市場的保有量都在幾萬臺以上，對于這種成熟型產品根本就不需要去進行所謂的論證，改進設計也要現實一點（有沒有設計不討論，經驗和模仿，很可行，但是基本的東西要分清），企業給你錢是讓你幫他賺就更多的錢，而不是讓你來完成你的學術追求的（別把爛和現實的可行性說得那么高尚，設計都算不上，還學術，你這個不是開玩笑嘛？太高抬了），在企業講的就是如何快速的與市場對接，快速的將自己的能力通過市場的需求變現，這才是最真實的職場現狀，所以作為一個企業人，一定要善于利用前人的經驗和成果，那就是一座座金山，等待你的發掘和采納。

根據行業特點，非標工裝設計，我個人覺得應該是45號鋼和鋁合金用得比較多一些，如果是機械加工的工裝設計，那45號鋼和合金鋼會用的多一些，如果是自動化行業的工裝設計，那鋁合金可能會用得多一些，主要還是更具剛性來判斷（鋁合金被普遍使用，尤其是動力學試驗中，很重要的一個原因是因為他的剛度質量比高，質量小會讓動力學相關的試驗更容易做相對準確些），當然具體的情況，還得從你自己的角度出發。

02 材料防銹如何處理

很多機械設計者往往會忽略掉這個問題，如何防銹處理其實是一個很重要的問題，這不僅關系到產品適用的穩定性，也關系到產品的外觀質量，對于工業技術產品慢慢開始與藝術接軌的今天而言，忽略產品的外觀簡直是不可原諒的過錯，很多人愿意為你的產品買單，并不單單是買一個功能，也是在購買一個心情，購買一個建立在可以欣賞基礎上的實用物，所以我們作為一個產品設計者，一定要極度的關注零件的防銹問題。

例如我們經常使用的45號鋼如何防銹處理，通常我們會選擇“發藍”處理，這是工業產品針對該材料做得最多的一種防銹處理方式，該方式的價格低廉，而且可以讓零件煥發出一種厚重感，給人以信心和可靠，或者對零件進行噴漆和噴塑處理，這也是很多產品，特別是外觀處理上使用很多的方式，或者根據環境的使用要求，對零件不進行單獨的處理，而是在使用過程中利用封油或防銹液進行保護，這也是在機械加工工裝中用得比較多的方式，無論是什么方式我們都得選擇一樣。

當然如果上述方式都不太適合，那我們就必須跟換材質，例如我們可以選擇不銹鋼，這樣就可以基本上杜絕防銹處理這個尷尬了，但是很多所謂的不銹鋼其實并不是完全不生銹的，只是相對難生銹一些而已，所以在使用過程中，我們還是要充分的考慮零件或產品的防銹問題。

03 材料穩定性如何

在產品設計的過程中，我們選擇一個零件的材料，同時還要考慮該材料的穩定性，例如我們前面舉例說明的HT300灰口鑄鐵，為什么機床的大件都是采用這種材料，就是因為這種材料在產品的使用過程中，有著非常好的材料穩定性，無論是熱穩定性還是它的材料組織穩定性等都非常好，而對于高精度機床這種特性的產品，這樣的材料就是非常好的選擇，如果你選擇用鋼來做這樣的基體，那可能你加工的零件時合格，但是裝配后就會發生各種幾何變形，發到客戶手上有又會再次變形，總之就是在不斷的變形中，它們可以隨之溫度，濕度和振動等環境的變化而隨時變化，這對于一個高精度要求的產品而言，簡直就是噩夢，所以在材料的溫度性上考慮是非常關鍵的一個因素，也是決定一個產品成敗的因素。

我們公司最近購買了一臺產品，其工作臺是灰口鑄鐵，可能是HT200的，因為零件的設計強度不夠，太單薄了，還有就是可能在零件鑄造完成后沒有經過二次時效處理，所以機床購買回來后，工作臺面的精度一直在變（不知道你是筆誤還是基本功太差前面說強度不足，而后面整個都在說剛度不足，強度是破壞，變形的剛度，基本概念要有的，有時候很奇怪，為什么大家不知道強度是什么，剛度是什么，機械設計是什么，天天老覺得自己做機械設計），我們自己重新研磨和調試后還是在變化，這根本就沒有辦法調試，更別提后續如何正常使用了，這樣的產品在實際上就是個廢品，雖然從外表上看，什么功能都和齊全，而且各種動作都能夠做出來，操作系統也很正常，但是最重要的精度沒有，我們需要的是加工精度，這對我們來說就沒有任何意義了。所以作為一個設計工程師，一定要考慮材料的穩定性（這個話邏輯更差，你明明是在描述剛度不足，剛度一般和材料穩定性關系很小，因為大部分時候，例如不同鋼，他的剛度幾乎沒區別，變形幾乎沒區別，他們的區別在于強度，除非是嚴重屈服的領域，工程上不多，你這個應該不是，大概率就是剛度不足，不是材料穩定性）。

材料的穩定性就像情人之間的忠誠度，如果沒有這個忠誠度，任何海誓山盟，花言巧語，男才女貌都是假的，沒有意義，都是不可靠的。

04 材料加工性能如何

材料的加工性能，其實這是機械工藝工程師的內功，當然一個機械設計工程師還是要有基本的概念，這也是為什么圖紙設計完畢后，一定會有一個機械工藝的工程師簽一個會審的名字，因為他需要對這個零件的材料進行加工性能的評估。

什么是材料的加工性能，說得直白一點就是零件是不是好加工，例如45號鋼就很好加工，但是不銹鋼就不好加工，這種材料不僅粘刀，而且切削性能也不好，硬度也較高，所以很多場合雖然我們處于防銹的考慮，選擇了不銹鋼材質，但是有一些加工上就存在很大的問題，例如在不銹鋼上加工小孔，特別是螺紋孔，如M3的螺紋，這個是很麻煩的事情，既容易斷鉆頭，也容易斷絲錐，很多工人都不愿意干，如果是強行要做，那價格也是非常高的，不僅材料費用高，加工費用更高，相比45號鋼不知道要高到哪里去。

而HT300的加工性能就非常好，這也是為什么機床大件會選擇這種材料的原因之一，這種材料很容易加工，而且加工應力也不大，相對來說很容易消除，做的好的加工工藝，會在零件的半精加工前加一道時效處理的工序，這樣可以極大的去掉零件前幾道加工工序產生的加工應力，并最終保證精加工工序的精度的穩定性。

材料的加工性能并不單純牽涉到零件的加工，也牽涉到刀具的選擇，加工母機的損耗，加工效率的低下等等，這是一個很綜合的因素，是值得每個設計工程師認真去學習和研究的知識點，這也是一個設計工程師的標配能力。

05 材料成本如何

零件的生產成本，其實這個成本就是基于以上幾個因素的一個綜合反映，如果你選擇的材料剛性差，不達標，那意味著要顛覆重來，這就意味著成本，如果你選擇的材料防銹不好做，那就意味著不穩定和外觀差，賣不出去，又是成本積壓，如果你選擇的材料穩定性差，產品不好用，一樣是賣不出去，還是成本積壓，如果你選擇的材料加工性能不好，那加工成本就會上升，這還是關系到成本，一個產品設計的好壞，除了要從功能上來評價之外，還需要從成本上來評價。

如果你花一百萬做了一顆很完美的螺釘，你覺得這有意義嗎？有市場價值嗎？沒有，雖然你把事情做得很漂亮，但是這個事情沒有任何意義。

06 最后

一個好的機械設計工程師（可能我比較極端吧，我沒看到中國有好的機械設計工程師，也幾乎沒有機械設計，我們的機械設計的顛覆，計算我們學校的課程設計，建議修改成產品設計），一定是基于以上各個因素來統籌考慮產品和零件設計的，如果他都沒有這樣的認知，那基本上也就談不上什么設計工程師，頂多也就是個繪圖員而已，他們是沒有思想和靈魂的，也就是一個工具，一個會呼吸的工具，低能而抱怨多。（你的人生沒機械設計，別教訓別人，你一定要很清楚一個最核心的概念，第一，機械是運動和力的系統。第二，機械設計是分析力和運動，得到尺寸，材料或者外形，這個文章我個人沒看到你有做任何這些事情，所以，你的人生沒機械設計，它不高大上，也不特別，也不被需要，但是有就是沒有，沒有就是沒有。。。當然了，選擇材料也是機械設計的一個很重要的一類，但是這是基于力和運動的計算，得到強度，然后校核材料，很顯然，這個文章你選擇了材料的，但是你沒這設計的過程！）

當然，我在這里分享的主要是選擇一個零件材料的方法，要從那些方面去入手，切入點在哪里，只有掌握了這些方法，你才能通過這些方法去找到適合自己特定需求的材料，否則你真的無從入手了。

最后，你從頭到尾經常提什么材料的剛性在，這個寫法這么看怎么別扭，剛性這個詞就顯得怪，我們一般用剛度。。。第二，我們描述剛度其實很少用材料的剛度，剛度一般是做一個結構。當然，我很清楚你要表達的意思，我只是說基本術語不清。

我寫這么多，并不是反對你，其實從產品設計和國內現有的工程師看，你有什么多的產品經驗以及算很好了，記住，是產品設計經驗，不是機械誰經驗。

喋喋不休寫什么多，現實中大概率是要別罵以為自己牛逼，其實狗屁不是的。。不過無所謂。

愛看書的pig

liuxiaoran 發表于 2022-12-20 19:44
這就是所謂的設計能力之一吧，其實一個好的產品設計，在材料的選擇上至關重要，甚至到了生死存亡的地步，“ ...

第一，機械是運動和力的系統。第二，機械設計是分析力和運動，得到尺寸，材料或者外形

這句話說的真好。學習學習