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127总第235期/2023/2/学人问津过程装备设计中材料的选择应用探究王义莛（荆楚理工学院，湖北 荆门 448000）摘要：在过程装备设计中，材料的选择应用直接关系到设备是否能正常运转，进而影响生产效率和产品质量。然而在实际操作中，由于受到多种因素的限制，使得材料选型存在一定误差。如果不对这些误差进行有效控制，将会导致最终结果与预期目标相背离，这不仅会造成巨大的经济损失，还会引发安全事故，严重时甚至威胁人们的生命安全。材料的选用是否科学合理将直接决定整个过程装备的安全性、稳定性和经济性等多方面指标，是一项十分关键的工作内容。如果选择不合理，不但不能充分发挥材料的作用，反而会给企业带来巨大损失，甚至危及人身安全。因此在实际工程中，合理地选择合适的材料对于提高过程装备性能具有重要意义。关键词：过程装备设计；材料；选择应用在过程装备设计中，材料的选择应用贯穿设备选型全过程，涉及工艺参数、结构、尺寸、重量、成本以及使用维护保养要求等诸多方面。因此，如何科学合理地选择和确定所需材料是一个很复杂的问题。材料作为影响过程装备使用性能最关键的因素之一，直接决定了产品的质量与可靠性水平。在新技术革命浪潮的冲击下，传统制造业面临着前所未有的挑战。同时，科学技术日新月异，使现代工业生产对过程装备制造技术及管理水平的要求越来越高。特别是对环境造成污染的控制日益严格，环境保护成为社会关注的焦点，绿色环保理念深入人心。这就对材料提出了更高的要求，过程装备设计中材料的选择应用，不仅要考虑其自身特性，还要根据具体问题进行优化调整，以达到最佳效果。一、过程装备设计中材料选择的理论概述（一）材料选择的定义在工程实践活动中，材料选择是为了满足设备和工艺设计需要而选用某种或多种材料来完成特定任务的行为过程。材料选择是工程设计中非常重要且复杂的环节，直接关系到产品能否顺利实施以及最终质量是否可靠，因此材料的选择必须引起足够重视。材料的选择包括两个方面，一是选择合适的材料，如选用最佳结构形式、最优选材方案，使之具有较好性能，降低造价；选用适宜的热处理工艺及相应的表面处理方法，以获得优良的组织形态，从而延长使用寿命。应根据具体需求选择适当的材质种类，如用钢还是用铜、不同部位采用何种材料等等。要选择合理的制造技术与加工方法，保证产品质量并提高生产效率。另外，还应注意选择恰当的运输方式和安装方法等。二是确定合理的使用范围，根据用户需要进行材料的选择，一般要考虑其经济性和适用性。在实际应用过程中要综合各方面因素，做到经济适用。在产品设计阶段应该充分考虑到材料选择对产品可能造成的影响，尽可能地减少或消除这些不利因素对设计结果的负面影响。同时，还要考虑环境因素，环境条件对材料选择的重大影响，主要体现在经济性上。并且材料选择时既不能盲目追求新、奇、特，也不应贪大求全，而应结合具体问题具体分析。即在满足工艺要求及使用性能的前提下，以最少成本达到最好效果，实现经济效益最大化。（二）影响材料选择的因素影响材料选择的因素可分为两方面：一方面是设备本身的固有特性和使用特点，这些因素决定了所选用的材料必须具有足够强的抗腐蚀能力。另一方面是材料自身属性以及加工制造过程中可能产生的缺陷等，这类因素会对材料性能产生一定的影响。如钢材的强度、塑性、韧性、耐蚀性等均取决于金属材料的材质、热处理方法及其组织结构等。由于影响金属材料机械性能及耐腐蚀性能的因素有很多，因而其影响也十分复杂。在进行选材时，除了要考虑到上述两类因素外，还应当充分考虑其他一些重要因素，如温度、湿度、应力状态、表面粗糙度等。这些因素都会对金属材料的力学性能产生不同程度的影响，其中最主要的就是温度变化所引起的热变形和应变率效应。所谓热变形，即受热后金属发生弹性形变或塑性变形，并伴随热膨胀而改变金属结构的几何形状及尺寸，使之满足一定的使用需要。热变形量大的部位往往会出现裂纹甚至断裂，因此必须采取适当的措施以减少热变形量。热变形量小的地方通常不容易发生裂纹或破坏，但如果存在应力集中区域则很可能导致局部脆性断裂。热变形可以分为两类，即宏观的热变形及微观的热变形。热变形又可分为外部因素和内部因素两种情况，外部因素主要包括原材料、生产工艺参数、环境条件等；内部因素一般指材料本身性质与加工过程有关的各种物理、化学因素。二、过程装备设计中材料的选择（一）材料选择的原则设备选型是一项系统工作，在进行设备选型时不仅要考虑经济性、安全性等方面，还要注意产品生产周期和质量要求等问题。因此，为了保证企业正常运转，必须从多方面入手来确定合理的设备设计方案，以便使企业获得最大效益。特别是对一些特殊的设备或关键设备，应综合考虑其使用范围、技术性能、经济效果及运行维护等各方面的影响。不同的设备有不同的应用场合，因此设备选型时要因地制宜。设备选型主要包括128/总第235期/2023/2学人问津两部分，一是设备本身的特性，二是所采用的材料的性质。其中材料的选用尤为重要，因为材料决定了产品的价格、制造工艺及其可靠性。所以设备选型是一个系统工程，是一个综合性很强的工程，需要具有一定的科学性。首先应该结合本企业的特点和需要，选择适合的材料。其次要从经济效益出发，要既能满足产品质量的要求，又能节约成本，从而达到降低成本的目的。另外，还必须考虑企业自身发展及市场变化情况，这就要求合理地安排资金，避免盲目选材。由于材料的性能差异很大，而且不同材料的物理性能、工艺性能也各不相同，因此，在选择材料时不仅要考虑到材料本身的物理力学性能，还要兼顾其他方面，如使用性能、耐腐蚀性能等。此外，还要注重环境保护。在进行设备选型时，还应充分考虑到产品结构以及生产环境条件、原材料质量状况等因素。只有这样才能做到科学合理地选材，以最小的消耗取得最佳的投资回报。同时，还要注意材料品种、规格与生产工艺之间的协调统一。因此，在采购时应坚持“量力而行”的原则，不能盲目扩大投资规模。还要做好计划管理，使之有秩序性。其中最重要的就是根据企业的具体情况选择合适的材料，通过分析确定所需材料种类及其相应的工艺参数。（二）材料的设计对象材料的设计对象主要是设备和系统，包括机械设计制造、电气控制等专业技术领域中的各种机械设备、控制系统及自动化仪表。其工作特点决定了其具有一定的复杂性，需要进行一系列的设计计算。所以，材料的设计阶段也十分关键，只有正确合理地使用好这些材料，才能更好地为生产服务，从而提高整个行业的工作效率。对于设备而言，材料是指那些直接影响机器性能及其使用寿命的零件、部件以及它们的组合件，如齿轮、轴承、轴、法兰等等。因此，材料的选择尤为重要，选择得当将会使设备获得良好的使用性能和可靠性能；反之则会导致设备不能正常运行，甚至被损坏。可见材料的选取与设备及系统设计息息相关，是一个不可或缺的重要组成部分1。合理地使用材料，不仅可以降低设备投资费用，还能延长其寿命，提高企业经济效益。材料的选用对于整个系统的成本和质量有着重大影响，材料选用不当可能会造成重大事故。因此，正确合理地选用材料具有十分重要的意义。材料的选用在设备或系统设计前必须确定所需材料的种类，然后根据不同用途选择合适的材料并加工成型后再投入实际工程中，这就是通常所说的选材。（三）材料的选择对设备设计的影响1.材料的选择对于设备设计的重要性从某种意义上说，设计是决定生产效率高低的关键。所以，设备选型的成功与否将直接关系到企业能否获得最大的经济效益。如果一个企业不具备合理有效地进行设备选型的能力，那么即使其拥有了先进的制造技术，也无法保证产品的质量与产量。若没有科学合理地进行设备选型，则会导致巨大的经济损失。由此可见，正确地选择和使用设备已成为当前摆在每个企业面前亟须解决的问题。材料作为机械设备中最基本的组成部分，其选用是否得当不仅影响着机械设备的使用寿命和工作可靠性，还会带来可观的经济效益。在现代市场经济条件下，企业之间的竞争日趋激烈，主要表现为产品质量的竞争，而产品质量的优劣又取决于设备性能的好坏。因此，如何选择好设备是一项非常重要的课题。随着我国改革开放的深入发展，市场竞争日益激烈，对生产效率提出了更高的要求。为了适应这种形势，许多企业都引进了各种先进设备，企业必须不断提高自己的技术水平来满足市场变化的需要，否则将会面临被淘汰的危险。2.材料选用对于设备选型的作用材料选用对于设备选型具有重要意义，它不仅决定着设备能否正常运转，还影响整个系统的工作效率。目前我国许多设备厂家都非常重视材料的选择和使用，因为这是企业能否获得较高经济效益的关键之一。如果不考虑材料的质量、价格等因素，则会造成不必要的损失，甚至带来严重后果。因此，在进行设备选型之前首先要分析其经济合理性，然后根据具体情况合理地选取适宜的材料。设备选型的好坏将直接影响企业的生产经营状况及产品的市场竞争力，可见设备选型具有十分重要的意义。设备选型是一项复杂而又细致的工作，需要经过一系列程序的计算，还要验证其可行性，从而得到最优方案。设备选型的主要目的在于提高设备利用率、降低能源消耗和减少投资费用。设备选型必须与生产工艺相适应，才能发挥出最佳效益。设备选型包括设计和选型两方面，设计即确定设备的结构形式、规格尺寸、类型以及安装位置；选型即确定设备的性能、技术参数及其适用范围2。其中，结构设计又分为机械结构设计和电气结构设计，工艺是指机械设备制造中各工序所需加工时间及工作环境条件，而设备则是完成上述任务必不可少的工具。因此，在设备选型前，应当根据实际情况进行充分的分析和论证。三、材料选择的综合运用材料选择的综合运用在整个过程装备设计中占有非常重要的地位，是实现系统性能最优化和降低成本的重要途径。由于影响因素较多且相互联系，因此要根据具体的需求选用合适的材料，以达到最优方案。材料选择是一个复杂而又艰巨的工作，涉及技术、经济等诸多学科领域。材料本身存在一定程度的老化现象，如不及时更换可能会造成重大经济损失或人身伤害。同时，材料的使用性能往往随着时间变化而不断变化，这就决定了材料必须经过多次循环使用才能够满足各种条件下的使用要求。材料在长期运行中会不可避免地出现一些缺陷和损伤，如产生疲劳裂纹、磨损加剧、性能降低等。这些都将导致设备失效，一旦发生安全事故则会带来巨大的损失。因此，材料的安全可靠性越来越受到重视，材料质量直接关系到工程的寿命。这无疑增加了材料成本，也不利于环境保护，因此如何合理选用材料显得尤为重要。此外，材料自身具有多种特性，如热膨胀系数大、硬度高、强度高等，这些性质使得其应用场合与一129总第235期/2023/2/学人问津般工程结构有着显著区别，因而对材料的要求更加苛刻。另外，材料还常常需要加工制造、反复使用才能满足要求。如果材料使用不当，还会引发一系列问题，甚至引起事故。因此，材料的质量好坏直接关系到产品能否安全、稳定、可靠地运行。而材料的优劣取决于多方面因素，其中包括自然环境中的气候条件和社会环境因素，还有其他相关因素，这一切都无法避免。所以，如何合理地选用材料一直是人们关注的焦点。材料的合理选用不仅能保证设备的正常运行，还能为后续工艺提供良好的条件，材料是否正确使用决定着最终产品能否成功。四、材料选择的过程装备设计研究（一）材料选择的过程装备设计需求1.材料选择的目的材料选择的目的就是满足生产中各种技术要求。因此，在进行材料选择时，要充分考虑其经济价值。在保证产品质量的前提下，既要尽可能地降低成本、减少投资费用，还要尽量缩短制造周期、降低生产成本，以适应现代化工业生产发展的需要。应遵循一定的原则，要有充分的信息资料，并要结合实际情况而定。同时，还要综合考虑环境因素和其他影响因素，如气候、温度等环境因素，生产工艺和操作人员的技术水平等等。这些因素都直接或间接地制约着材料的性能，要根据具体情况合理选择材料。另外，在材料选择时，要注意经济性与环保性的结合，做到既节省资金又不污染环境。这样不仅能提高经济效益，还可使产品更具竞争力，充分发挥材料的作用，达到资源的优化利用。2.材料选择的方法材料选择的方法主要有两种：一是定性分析法，即通过分析研究各种影响因素使材料性质所产生的不同程度的变化来进行材料选择，这是目前最常用和比较成熟的方法，根据已有的数据和经验得出材料的性能或参数3。这种方法需要花费大量的人力、物力以及时间成本，而且结果也不够准确，还容易出现错误，所以在实际中很少应用。二是定量分析法，即利用数理统计原理建立数学模型，定量地计算被选材料的各项指标值并作出相应的评价，这是一种较为科学和实用的方法。可以避免定性分析法存在的主观性和盲目性。3.材料选择的功能在进行材料选择时，应该遵循一定的原则，以使整个系统达到最优化或最佳状态，实现资源的合理配置。其中最主要的就是要考虑到经济合理性及环境影响两个重要指标，即经济效益最大化以及环境效益最小化。由于人们追求利润最大化的思想已经根深蒂固，所以在选择材料时要尽量做到成本最低化。另外，环境保护也越来越受到人们的重视，绿色材料的开发已成为目前材料科学领域一个很热门的话题。材料的环境相容性是其重要内容之一，环境安全性更是重中之重。这就要求我们必须把二者结合起来进行研究。所以，功能优化技术是通过对材料的性能、工艺条件等方面因素的分析，建立起合理的数学模型，进而利用数学方法求出最优解，获得最佳方案的一种决策手段。（二）材料选择的过程装备设计模型根据不同产品和工程需要选用不同的材料，在产品设计阶段采用“自上而下”和“自下而上”两种途径相结合的筛选方法。其中，在设计阶段首先应用专家经验法确定最佳选材参数。其次将其转化为数学形式，并运用 MATLAB 语言编写计算程序实现自动寻优4。这样不但提高了工作效率，而且避免了盲目性和随意性，同时也减少了人工挑选带来的误差，使最终得到的设计方案更加科学合理。最后通过实例验证这种选材方式的有效性。材料优选是一个系统工程问题，涉及多个学科领域，因此必须综合分析各个因素对优选结果的影响，从而制订出最优方案。在设计阶段，可以根据各零件所需性能指标的大小来确定选材范围；在制造阶段，要充分考虑到制造设备与原材料之间的相互影响，并采取相应措施来消除这些影响，使之达到预期效果，降低产品成本。在制造阶段采取多种试验检测方法相结合的筛选方法，既能保证产品质量又能节约成本。另外，还可从原材料来源、价格及市场情况等多方面考虑，以确保生产的经济性和可靠性。五、结语在过程装备设计中，材料的选择应用计算机辅助系统，不仅可以大大提高工作质量和效率，节省人力财力，还可以避免盲目采购造成的资源浪费；同时，通过对原材料进行优化配置，提高了企业经济效益，增强了企业竞争力。这对于推动我国制造业发展有着非常重要的现实意义，也是实现信息化社会目标的必然选择。在产品设计开发阶段采用计算机辅助技术，能有效减少产品研制成本，缩短研发周期，既能满足客户个性化需求，又能保证产品质量，还能使企业获得更大的竞争优势，经济效益十分明显，更能够快速准确地选出符合用户需求的最优设计方案，最大限度地满足用户的使用要求。参考文献：1 齐东辉.机械设计过程中机械材料的选择及应用研究 J.造纸装备及材料，2021，50（3）：57-59.2 肖哲.探究化工设备设计中材料的选择与应用 J.石油石化物资采购，2021（28）：3.3 高伟.过程装备设计中材料的选择运用分析 J.无线互联科技，2021，18（3）：79-80.4 郜一帆.金属材料在机械设计中的选择与应用探究 J.价值工程，2021.作者简介：王义莛，男，湖北十堰人，本科，研究方向：过程装备与控制工程。