Chapter 21 材料的选择和设计考虑 21.1 引言/前言
本章的主要目的是让设计者系统的了解材料并熟悉材料的设计。材料的选择和设计主要依据它的性能。设计者必须权衡材料的性能，根据性能的要求去设计产品。在我们开始研究材料的多种优良性能之前，我们必须建立一个关于这种材料的性能的表格。本章的主要目的是解释材料特性选择的重要性，告诉如何运用材料系统，聚合物、金属、陶瓷，并告诉如何用性能来选择材料。实验室通过衡量数以千计的材料的性能，比较它们，最终选择合适的。然而，本章不能讨论所有这些范畴，所以我们将集中讨论材料的选择与设计。 21.2 性能/性质
买汽车的时候，我们会建立一些选择标准，可能有车的尺寸、外观、性能或价格。这些是主要的选择标准，每一类汽车在这些方面都有不同的参数。考虑周到的买家会在多种品牌的汽车中挑出几个心仪的，然后做出选择，目标是在价格实惠的基础上选择性能最好的车，材料的选择也是采取这种方式的。
材料选择中主要会考虑到的特性如21.1所示。材料的化学性质与它的结构和组成元素有关。这些特性通常在化学实验室测量，它们无法用肉眼观察，有时会通过改变或破坏材料来测量它的化学性质。
材料的物理性质是通过其自然的方式测定的特性。它们的测定不破坏或改变材料。颜色是一种物理性质，通过观察就可以知道；密度可以通过称重和测量体积得到，这也是物理性质，不必通过改变或破坏材料的方式测得这个性质。
机械性能是材料受外力作用所展示的性能。他们通常涉及材料的弹性或不可伸缩性，它们需要破坏材料才能测量。硬度是机械性能，因为它是通过划伤或通过小型穿甲弹来测量的，这也是有破坏的，因为即使是划痕、压痕也会破坏材料的性能。机械性能表明材料是以运用的机械环境，例如进行负载、吸收冲击、耐磨损等。
尺寸性能没有列在性能表中，它们甚至没有一个合法的标准。然而材料现有的大小‘形状和韧性往往是最重要的选择因素。因此，我们已经建立一个有关形状、材料和表面特性的性质表格。表面粗糙度是材料的立体性质，它能很亮许多应用的重要性，但它不适用于其他类别。
在每种重要的材料性能中，化学性能、尺寸性能、机械性能以及许多特殊的性能，设计师不通材料的差异的理解是非常重要的。在这些类别中，物理和机械性能是非常重要的。
在这一章的前面我们列出每个性嫩在每个主要领域的应用表，并讨论如何测定这些性能。在材料选择的每一部分对如何使用它的性能做了一个简短的介绍。 21.3 材料的选择
一个最具挑战性的任务是工程师为一个特定的工作挑选合适的材料，例如一台特定机器的某一组成部分或构件，工程师必须在成本最低的基础上选择最佳性能的材料。材料的性能行为取决于几个因素，例如分子组成、晶体结构、相互作用时的状态。材料的性能在一定的限制条件下能满足应用，然而，超出这种条件限制，材料就不能满足它的应用。
我们可以列出一个影响材料选择的表：（1）合成形状，（2）尺寸大小，（3）机械性能，（4）加工条件，（5）材料成本，（6）韧性条件，（7）加工成本，（8）材料的供应量。
所有这些因素对于材料的选择都有影响。形状和大小对材料的选择单元有很大的影响。浅显点说，我们举个例子，在给定的条件下，生产方法影响材料的选择。如果是压铸的方法，那么材料的选择就受到限制，只能选择低熔点，如Al、Zn、Mg和热塑性塑料。
某些材料因为自身的特殊性能而被选择。很明显的，材料的特殊性能会影响材料的选择。
选择一个特殊状态下的合适的材料，机械性能，例如硬度、强度会给我们指示。材料
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的加工方法也是影响性能的一个部分。例如，熔件要比铸件的硬度好，不同的工作流程决定不同的纤维结构。然而，熔模铸造相对其它操作来说可以精确的制造尺寸，并且成本相对较低。
韧性要求材料尺寸稳定，强度、韧性、耐高温、耐腐蚀和耐蠕变性能、导电性和导热性等。如果需要是铸件，那么就要求是铸造性好、焊接性好、易于加工的材料。
在大多数情况下，原材料成本大约占总成本的50%。显然，材料成本是影响材料选择的一个重要因素。我们必须认识到，使用便宜的原材料并不一定能降低总成本，便宜的原材料可能由于复杂的操作使加工成本增加，也会更费料。我们可以很容易的指导，有时使用稍昂贵的原材料结合较低的加工成本会节省原料。
材料的类型也会影响设计的细节，在选择材料和工艺之前，我们就应考虑是否要加入焊接、螺丝或铆钉等方法。
在多数工厂，加工成本和其他开支占生产成本的50%，杂项开支在其他工业中远远超过别的开支，如果用一种方式可以减少所有种类的花费，那么总成本也将减少。与传统过程相比，有时注射成型工艺是首选的，因为它不涉及传统工艺中的中间加工过程。
我们发现轧制、锻造工艺的花费是动力冶金工艺花费的2倍，因为轧制、锻造之后还需要几个机械工艺。
我们还发现，有时原料的供应量可能是材料选择的决定性因素。当所需原料供应有限，那么原材料就昂贵，我们就选择数量充足的原料。
根据上述因素，有时可能会有两个或两个以上材料适合某一部件。我们可能会发现上述因素发生冲突，正确的解决方案是我们必须做出折中。折中时要考虑相对有点和相对缺点，如不见制造的成本和它的使用寿命等。
综上所述，我们可以说材料的选择是变化的，是设计的循序渐进。拓宽视野有效地认识和利用最新的科技。人们可以对材料进行改性。在大量的不同种类的可利用材料中，用上文中我们讲述的方法，做出最合理的选择。 21.4 材料的设计
设计是一个反复的过程。你先从某种材料的功能开始，然后利用你的知识和经验制定暂时的设计方案，在共同讨论商议之后再完善具体的操作步骤。
材料的选择是设计的一个组成部分。因为动力学和机械学原理是已经创立好的，而且不会有太大的改变，然而新材料却在不断出现。创新的设计往往是使用了新材料。我们所讨论的材料，例如金属、陶瓷、高聚物以及它们所组成的复合物都是由设计师设计的，每种材料都有自身的优点和局限性，这是所有设计师都了解的。
在接近室温时，金属都具有几乎相同的弹性模量和屈服强度，大多数的金属有至少20%的延展性，有些高弹性合金（如弹簧）由压制法制的得，只有几乎不到2%的延展性，但是这也足以保证它们在断裂之前屈服。
从历史上看，陶瓷设计是有经验可循的。伟大的哥特式教堂，仍是众多陶瓷设计中给人印象最深的，它有一个稳定持久的光环，但在设计过程中经历了多次倒塌，我们知道这是设计者从失败中总结而来的。大多数的陶瓷设计都是这样来的。由于近来严格的结构控制，一套成熟的设计方法逐步形成了。
设计具有韧性的材料，我们运用的方法综合的考虑安全因素。金属可以在所能承受的强度范围内不过早的断裂，陶瓷却不能。就像我们之前看到的一样，脆性材料的强度普遍不高，并且其强度取决于本身的负载时间和材料的体积。
广义上陶瓷强度的含义是指非压缩强度，不像金属，它的压缩强度比拉伸强度大10~20倍。又由于陶瓷没有延展性，他们所受的应力集中较小。如果销枢接口由金属制成，那是不合适的，金属会发生变形，且会形成针状的硬层，那么载荷就会重新分配。但如果销枢接口
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是由脆性材料制成的，局部接触应以使裂缝不断扩展，而引起突然断裂，显然，陶瓷材料的设计从细节上就与金属材料不同。
高分子设计也是不同的。当高分子材料开始被应用时就备滥用。一个便宜的塑料制品，可能在你刚用时就坏了，这样的情况几乎总在发生，这是由于设计者不把高分子材料加以重新设计就代替金属材料，这里简单列出了三种情况：
（1） 金属模量大约是聚合物的100倍，其弹性挠度会更大一些；
（2） 聚合物的挠度取决于加载时的蠕变室温，在聚合物所能承受的载荷范围内聚合
物构建会随时间推移永久变形。
（3） 当温度接近室温时，聚合物轻度会很快发生变化，一个在20℃坚硬而有韧性的
聚合物放在家用冰箱降温至4℃时就可能碎掉。
有这么多问题，为什么还要用聚合物材料呢？因为在一个简单的操作下就能铸出功能多样的构件。聚合物的多组分性能通过设计结合在一起，这样既有利于装配，而且很经济。通过精确地规定铸件的尺寸，预先上色，会给制造商带来很大的经济效益。便宜的聚合物材料的性能就一定不好吗？不一定。聚合物材料密度小、耐腐蚀、摩擦系数小、强度高，这些优越的性能，让部分聚合物材料有着明显的优越性。
复合材料克服了许多缺陷，它们有一定的硬度、强度和韧性，但主要问题是它的价格，复合材料通常是昂贵的，而且它们很难形成或结合，因此，尽管它们有许多优点，只有在材料性能的提高抵得上成本时，设计师才会使用它。
新型材料一直以来都备受关注，新的聚合物有很好对于硬度和强度，历来都很受欢迎，随着复合材料产量的增加，复合材料变得经济实惠。将具有足够强度的陶瓷用在常规设计中如今已经实现，但这是个缓慢的过程，合金需要我们更好的理解，使其性能更优越。设计师可以利用新材料设计新产品，改善外观或性能。
生产的代表性产品，它们的性能需要在市场上验证，如果是好评，那么一个完整的产品就诞生了。但作为一个设计者，他的任务还没有完成，还要进一步对产品进行改革和创新。成功的设计师在这方面不断提高发展，因为只有这样，这些产品才会在市场竞争中占据优势地位。
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