做好机械设计需要掌握哪些材料知识？

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这就是所谓的设计能力之一吧，其实一个好的产品设计，在材料的选择上至关重要，甚至到了生死存亡的地步，“材料不对，一切白费”，这并不是一句单纯的行业告白，而是多少人前赴后继的血泪良言。

其实机械设计是一个很广泛的概述，这里面又分了很多细分行业和专业，而且每个细分行业所注重和用到的材料是完全不一样的，这也是为什么很多跨行的机械设计总是会在前期有很多失败和弯路的原因，也算是一种试错成本吧。

那下面就我所在的行业，以及本人对材料的一些粗浅认知做一个分享，当然这个内容一定是有局限性的，不一定正确，但是我分享的选择方法还是具有普遍适应性的，可以供大家参考。

通常我们选择一个设计零件的材料，会从以下几个方面来选择。

01 材料刚性是否足够

根据你的设计要求，首先要考虑的就是材料的刚性，因为材料的刚性决定了你的产品设计的可行性，记住，我们是在做一款产品，产品是需要在实际工作中使用的，是需要一定的稳定性和耐糙性的，所以我们选择的材料一定要考虑产品的使用范围，使用环境，使用强度等等因素综合来考虑对零件材料的选择。

例如我们做一台立式加工中心，我们通常对基础大件选择的是HT300的灰口铸铁，因为这种材料具有较好的刚性，为什么我们不选择塑料材质来做，因为塑料材质根本就没有强度和刚性，一受力就挂了，所以这是我们选择的一个原则，当然灰口铸铁有很多种，例如HT200、HT250等等，为什么我们要选择HT300呢？因为HT300的硬度更高一点，其实HT250也是经常选择的一种，但是基本上也就是这两种了，这里面有很多前人们积累下来的经验，我们的很多设计其实都是建立在很多前人们的经验上去完成，如果每个产品都去做一些列的强度或可靠性的试验，那真的黄花菜都凉了，市场需求是不等人，我们只有充分的利用前人的经验和成果，我们才能真正去赢得一个未来。

其实很多“朋友”一直就喜欢抬杠，总是说没有经过校核和试验的设计就是不负责任，但是前人设计的产品都在市场上运行了几十年了，而且市场的保有量都在几万台以上，对于这种成熟型产品根本就不需要去进行所谓的论证，改进设计也要现实一点，企业给你钱是让你帮他赚就更多的钱，而不是让你来完成你的学术追求的，在企业讲的就是如何快速的与市场对接，快速的将自己的能力通过市场的需求变现，这才是最真实的职场现状，所以作为一个企业人，一定要善于利用前人的经验和成果，那就是一座座金山，等待你的发掘和采纳。

根据行业特点，非标工装设计，我个人觉得应该是45号钢和铝合金用得比较多一些，如果是机械加工的工装设计，那45号钢和合金钢会用的多一些，如果是自动化行业的工装设计，那铝合金可能会用得多一些，主要还是更具刚性来判断，当然具体的情况，还得从你自己的角度出发。

02 材料防锈如何处理

很多机械设计者往往会忽略掉这个问题，如何防锈处理其实是一个很重要的问题，这不仅关系到产品适用的稳定性，也关系到产品的外观质量，对于工业技术产品慢慢开始与艺术接轨的今天而言，忽略产品的外观简直是不可原谅的过错，很多人愿意为你的产品买单，并不单单是买一个功能，也是在购买一个心情，购买一个建立在可以欣赏基础上的实用物，所以我们作为一个产品设计者，一定要极度的关注零件的防锈问题。

例如我们经常使用的45号钢如何防锈处理，通常我们会选择“发蓝”处理，这是工业产品针对该材料做得最多的一种防锈处理方式，该方式的价格低廉，而且可以让零件焕发出一种厚重感，给人以信心和可靠，或者对零件进行喷漆和喷塑处理，这也是很多产品，特别是外观处理上使用很多的方式，或者根据环境的使用要求，对零件不进行单独的处理，而是在使用过程中利用封油或防锈液进行保护，这也是在机械加工工装中用得比较多的方式，无论是什么方式我们都得选择一样。

当然如果上述方式都不太适合，那我们就必须跟换材质，例如我们可以选择不锈钢，这样就可以基本上杜绝防锈处理这个尴尬了，但是很多所谓的不锈钢其实并不是完全不生锈的，只是相对难生锈一些而已，所以在使用过程中，我们还是要充分的考虑零件或产品的防锈问题。

03 材料稳定性如何

在产品设计的过程中，我们选择一个零件的材料，同时还要考虑该材料的稳定性，例如我们前面举例说明的HT300灰口铸铁，为什么机床的大件都是采用这种材料，就是因为这种材料在产品的使用过程中，有着非常好的材料稳定性，无论是热稳定性还是它的材料组织稳定性等都非常好，而对于高精度机床这种特性的产品，这样的材料就是非常好的选择，如果你选择用钢来做这样的基体，那可能你加工的零件时合格，但是装配后就会发生各种几何变形，发到客户手上有又会再次变形，总之就是在不断的变形中，它们可以随之温度，湿度和振动等环境的变化而随时变化，这对于一个高精度要求的产品而言，简直就是噩梦，所以在材料的温度性上考虑是非常关键的一个因素，也是决定一个产品成败的因素。

我们公司最近购买了一台产品，其工作台是灰口铸铁，可能是HT200的，因为零件的设计强度不够，太单薄了，还有就是可能在零件铸造完成后没有经过二次时效处理，所以机床购买回来后，工作台面的精度一直在变，我们自己重新研磨和调试后还是在变化，这根本就没有办法调试，更别提后续如何正常使用了，这样的产品在实际上就是个废品，虽然从外表上看，什么功能都和齐全，而且各种动作都能够做出来，操作系统也很正常，但是最重要的精度没有，我们需要的是加工精度，这对我们来说就没有任何意义了。所以作为一个设计工程师，一定要考虑材料的稳定性。

材料的稳定性就像情人之间的忠诚度，如果没有这个忠诚度，任何海誓山盟，花言巧语，男才女貌都是假的，没有意义，都是不可靠的。

04 材料加工性能如何

材料的加工性能，其实这是机械工艺工程师的内功，当然一个机械设计工程师还是要有基本的概念，这也是为什么图纸设计完毕后，一定会有一个机械工艺的工程师签一个会审的名字，因为他需要对这个零件的材料进行加工性能的评估。

什么是材料的加工性能，说得直白一点就是零件是不是好加工，例如45号钢就很好加工，但是不锈钢就不好加工，这种材料不仅粘刀，而且切削性能也不好，硬度也较高，所以很多场合虽然我们处于防锈的考虑，选择了不锈钢材质，但是有一些加工上就存在很大的问题，例如在不锈钢上加工小孔，特别是螺纹孔，如M3的螺纹，这个是很麻烦的事情，既容易断钻头，也容易断丝锥，很多工人都不愿意干，如果是强行要做，那价格也是非常高的，不仅材料费用高，加工费用更高，相比45号钢不知道要高到哪里去。

而HT300的加工性能就非常好，这也是为什么机床大件会选择这种材料的原因之一，这种材料很容易加工，而且加工应力也不大，相对来说很容易消除，做的好的加工工艺，会在零件的半精加工前加一道时效处理的工序，这样可以极大的去掉零件前几道加工工序产生的加工应力，并最终保证精加工工序的精度的稳定性。

材料的加工性能并不单纯牵涉到零件的加工，也牵涉到刀具的选择，加工母机的损耗，加工效率的低下等等，这是一个很综合的因素，是值得每个设计工程师认真去学习和研究的知识点，这也是一个设计工程师的标配能力。

05 材料成本如何

零件的生产成本，其实这个成本就是基于以上几个因素的一个综合反映，如果你选择的材料刚性差，不达标，那意味着要颠覆重来，这就意味着成本，如果你选择的材料防锈不好做，那就意味着不稳定和外观差，卖不出去，又是成本积压，如果你选择的材料稳定性差，产品不好用，一样是卖不出去，还是成本积压，如果你选择的材料加工性能不好，那加工成本就会上升，这还是关系到成本，一个产品设计的好坏，除了要从功能上来评价之外，还需要从成本上来评价。

如果你花一百万做了一颗很完美的螺钉，你觉得这有意义吗？有市场价值吗？没有，虽然你把事情做得很漂亮，但是这个事情没有任何意义。

06 最后

一个好的机械设计工程师，一定是基于以上各个因素来统筹考虑产品和零件设计的，如果他都没有这样的认知，那基本上也就谈不上什么设计工程师，顶多也就是个绘图员而已，他们是没有思想和灵魂的，也就是一个工具，一个会呼吸的工具，低能而抱怨多。

当然，我在这里分享的主要是选择一个零件材料的方法，要从那些方面去入手，切入点在哪里，只有掌握了这些方法，你才能通过这些方法去找到适合自己特定需求的材料，否则你真的无从入手了。

时间不多多益善

在一个行业里常用的材料就这么多，选用特殊的材料在采购时就会困难重重，交期、价格都不稳定，可选的供应商也非常受限。
如果设计时选用的是最常规的材料，了解并计算材料的力学性能、机械性能基本就够用了。

马云龙

谢谢楼主的分享

长毛小孩QQ

学习了

飞翔的企鹅y

学习了

看前方

6061 45

冷水黄金

金属采用铝合金、非金属采用尼龙

liuxiaoran

写非常好，我觉得很悲剧的一个事情就是由于我们大部分人的专业能力不足（虽然你比你周围好很多）所以你写越多就错越多，尤其是很多用词上就非常容易犯错误。。我自己对这些很有体验，因为你尝试自己总结自己写的时候，在比较边缘的领域，很容易就饭各种错误。

liuxiaoran

这就是所谓的设计能力之一吧，其实一个好的产品设计，在材料的选择上至关重要，甚至到了生死存亡的地步，“材料不对，一切白费”，这并不是一句单纯的行业告白，而是多少人前赴后继的血泪良言。

其实机械设计是一个很广泛的概述，这里面又分了很多细分行业和专业，而且每个细分行业所注重和用到的材料是完全不一样的，这也是为什么很多跨行的机械设计总是会在前期有很多失败和弯路的原因，也算是一种试错成本吧。

那下面就我所在的行业，以及本人对材料的一些粗浅认知做一个分享，当然这个内容一定是有局限性的，不一定正确，但是我分享的选择方法还是具有普遍适应性的，可以供大家参考。

通常我们选择一个设计零件的材料，会从以下几个方面来选择。

01 材料刚性是否足够

根据你的设计要求，首先要考虑的就是材料的刚性，因为材料的刚性决定了你的产品设计的可行性（你确定这句话你自己写的？别扭的用词），记住，我们是在做一款产品，产品是需要在实际工作中使用的，是需要一定的稳定性和耐糙性的（看不出这个话的道理和逻辑在哪里，但是大致能知道的意思），所以我们选择的材料一定要考虑产品的使用范围，使用环境，使用强度等等因素综合来考虑对零件材料的选择。

例如我们做一台立式加工中心，我们通常对基础大件选择的是HT300的灰口铸铁，因为这种材料具有较好的刚性，为什么我们不选择塑料材质来做，因为塑料材质根本就没有强度和刚性（任何固体都有强度和刚度，还有的刚性这个词非常的怪，很少看到这么用，塑料的刚度一般金属第一个数量级，大致在2000-20000MPA这个数量级，才工程材料从刚度不算特别差，这些言论显得基本功不好），一受力就挂了（尼龙的强度也有靠近200MPA左右，比你铸铁低一些，但是强度是一个量级的），所以这是我们选择的一个原则，当然灰口铸铁有很多种，例如HT200、HT250等等，为什么我们要选择HT300呢？因为HT300的硬度更高一点，其实HT250也是经常选择的一种，但是基本上也就是这两种了，这里面有很多前人们积累下来的经验，我们的很多设计其实都是建立在很多前人们的经验上去完成，如果每个产品都去做一些列的强度或可靠性的试验，那真的黄花菜都凉了（确实，但是另外一个原因是中国基本没什么能力做强度，强度很难，很难，很难很难，我现在肠子都悔青了，也不被社会需要），市场需求是不等人，我们只有充分的利用前人的经验和成果，我们才能真正去赢得一个未来。

其实很多“朋友”一直就喜欢抬杠，总是说没有经过校核和试验的设计就是不负责任，但是前人设计的产品都在市场上运行了几十年了，而且市场的保有量都在几万台以上，对于这种成熟型产品根本就不需要去进行所谓的论证，改进设计也要现实一点（有没有设计不讨论，经验和模仿，很可行，但是基本的东西要分清），企业给你钱是让你帮他赚就更多的钱，而不是让你来完成你的学术追求的（别把烂和现实的可行性说得那么高尚，设计都算不上，还学术，你这个不是开玩笑嘛？太高抬了），在企业讲的就是如何快速的与市场对接，快速的将自己的能力通过市场的需求变现，这才是最真实的职场现状，所以作为一个企业人，一定要善于利用前人的经验和成果，那就是一座座金山，等待你的发掘和采纳。

根据行业特点，非标工装设计，我个人觉得应该是45号钢和铝合金用得比较多一些，如果是机械加工的工装设计，那45号钢和合金钢会用的多一些，如果是自动化行业的工装设计，那铝合金可能会用得多一些，主要还是更具刚性来判断（铝合金被普遍使用，尤其是动力学试验中，很重要的一个原因是因为他的刚度质量比高，质量小会让动力学相关的试验更容易做相对准确些），当然具体的情况，还得从你自己的角度出发。

02 材料防锈如何处理

很多机械设计者往往会忽略掉这个问题，如何防锈处理其实是一个很重要的问题，这不仅关系到产品适用的稳定性，也关系到产品的外观质量，对于工业技术产品慢慢开始与艺术接轨的今天而言，忽略产品的外观简直是不可原谅的过错，很多人愿意为你的产品买单，并不单单是买一个功能，也是在购买一个心情，购买一个建立在可以欣赏基础上的实用物，所以我们作为一个产品设计者，一定要极度的关注零件的防锈问题。

例如我们经常使用的45号钢如何防锈处理，通常我们会选择“发蓝”处理，这是工业产品针对该材料做得最多的一种防锈处理方式，该方式的价格低廉，而且可以让零件焕发出一种厚重感，给人以信心和可靠，或者对零件进行喷漆和喷塑处理，这也是很多产品，特别是外观处理上使用很多的方式，或者根据环境的使用要求，对零件不进行单独的处理，而是在使用过程中利用封油或防锈液进行保护，这也是在机械加工工装中用得比较多的方式，无论是什么方式我们都得选择一样。

当然如果上述方式都不太适合，那我们就必须跟换材质，例如我们可以选择不锈钢，这样就可以基本上杜绝防锈处理这个尴尬了，但是很多所谓的不锈钢其实并不是完全不生锈的，只是相对难生锈一些而已，所以在使用过程中，我们还是要充分的考虑零件或产品的防锈问题。

03 材料稳定性如何

在产品设计的过程中，我们选择一个零件的材料，同时还要考虑该材料的稳定性，例如我们前面举例说明的HT300灰口铸铁，为什么机床的大件都是采用这种材料，就是因为这种材料在产品的使用过程中，有着非常好的材料稳定性，无论是热稳定性还是它的材料组织稳定性等都非常好，而对于高精度机床这种特性的产品，这样的材料就是非常好的选择，如果你选择用钢来做这样的基体，那可能你加工的零件时合格，但是装配后就会发生各种几何变形，发到客户手上有又会再次变形，总之就是在不断的变形中，它们可以随之温度，湿度和振动等环境的变化而随时变化，这对于一个高精度要求的产品而言，简直就是噩梦，所以在材料的温度性上考虑是非常关键的一个因素，也是决定一个产品成败的因素。

我们公司最近购买了一台产品，其工作台是灰口铸铁，可能是HT200的，因为零件的设计强度不够，太单薄了，还有就是可能在零件铸造完成后没有经过二次时效处理，所以机床购买回来后，工作台面的精度一直在变（不知道你是笔误还是基本功太差前面说强度不足，而后面整个都在说刚度不足，强度是破坏，变形的刚度，基本概念要有的，有时候很奇怪，为什么大家不知道强度是什么，刚度是什么，机械设计是什么，天天老觉得自己做机械设计），我们自己重新研磨和调试后还是在变化，这根本就没有办法调试，更别提后续如何正常使用了，这样的产品在实际上就是个废品，虽然从外表上看，什么功能都和齐全，而且各种动作都能够做出来，操作系统也很正常，但是最重要的精度没有，我们需要的是加工精度，这对我们来说就没有任何意义了。所以作为一个设计工程师，一定要考虑材料的稳定性（这个话逻辑更差，你明明是在描述刚度不足，刚度一般和材料稳定性关系很小，因为大部分时候，例如不同钢，他的刚度几乎没区别，变形几乎没区别，他们的区别在于强度，除非是严重屈服的领域，工程上不多，你这个应该不是，大概率就是刚度不足，不是材料稳定性）。

材料的稳定性就像情人之间的忠诚度，如果没有这个忠诚度，任何海誓山盟，花言巧语，男才女貌都是假的，没有意义，都是不可靠的。

04 材料加工性能如何

材料的加工性能，其实这是机械工艺工程师的内功，当然一个机械设计工程师还是要有基本的概念，这也是为什么图纸设计完毕后，一定会有一个机械工艺的工程师签一个会审的名字，因为他需要对这个零件的材料进行加工性能的评估。

什么是材料的加工性能，说得直白一点就是零件是不是好加工，例如45号钢就很好加工，但是不锈钢就不好加工，这种材料不仅粘刀，而且切削性能也不好，硬度也较高，所以很多场合虽然我们处于防锈的考虑，选择了不锈钢材质，但是有一些加工上就存在很大的问题，例如在不锈钢上加工小孔，特别是螺纹孔，如M3的螺纹，这个是很麻烦的事情，既容易断钻头，也容易断丝锥，很多工人都不愿意干，如果是强行要做，那价格也是非常高的，不仅材料费用高，加工费用更高，相比45号钢不知道要高到哪里去。

而HT300的加工性能就非常好，这也是为什么机床大件会选择这种材料的原因之一，这种材料很容易加工，而且加工应力也不大，相对来说很容易消除，做的好的加工工艺，会在零件的半精加工前加一道时效处理的工序，这样可以极大的去掉零件前几道加工工序产生的加工应力，并最终保证精加工工序的精度的稳定性。

材料的加工性能并不单纯牵涉到零件的加工，也牵涉到刀具的选择，加工母机的损耗，加工效率的低下等等，这是一个很综合的因素，是值得每个设计工程师认真去学习和研究的知识点，这也是一个设计工程师的标配能力。

05 材料成本如何

零件的生产成本，其实这个成本就是基于以上几个因素的一个综合反映，如果你选择的材料刚性差，不达标，那意味着要颠覆重来，这就意味着成本，如果你选择的材料防锈不好做，那就意味着不稳定和外观差，卖不出去，又是成本积压，如果你选择的材料稳定性差，产品不好用，一样是卖不出去，还是成本积压，如果你选择的材料加工性能不好，那加工成本就会上升，这还是关系到成本，一个产品设计的好坏，除了要从功能上来评价之外，还需要从成本上来评价。

如果你花一百万做了一颗很完美的螺钉，你觉得这有意义吗？有市场价值吗？没有，虽然你把事情做得很漂亮，但是这个事情没有任何意义。

06 最后

一个好的机械设计工程师（可能我比较极端吧，我没看到中国有好的机械设计工程师，也几乎没有机械设计，我们的机械设计的颠覆，计算我们学校的课程设计，建议修改成产品设计），一定是基于以上各个因素来统筹考虑产品和零件设计的，如果他都没有这样的认知，那基本上也就谈不上什么设计工程师，顶多也就是个绘图员而已，他们是没有思想和灵魂的，也就是一个工具，一个会呼吸的工具，低能而抱怨多。（你的人生没机械设计，别教训别人，你一定要很清楚一个最核心的概念，第一，机械是运动和力的系统。第二，机械设计是分析力和运动，得到尺寸，材料或者外形，这个文章我个人没看到你有做任何这些事情，所以，你的人生没机械设计，它不高大上，也不特别，也不被需要，但是有就是没有，没有就是没有。。。当然了，选择材料也是机械设计的一个很重要的一类，但是这是基于力和运动的计算，得到强度，然后校核材料，很显然，这个文章你选择了材料的，但是你没这设计的过程！）

当然，我在这里分享的主要是选择一个零件材料的方法，要从那些方面去入手，切入点在哪里，只有掌握了这些方法，你才能通过这些方法去找到适合自己特定需求的材料，否则你真的无从入手了。

最后，你从头到尾经常提什么材料的刚性在，这个写法这么看怎么别扭，刚性这个词就显得怪，我们一般用刚度。。。第二，我们描述刚度其实很少用材料的刚度，刚度一般是做一个结构。当然，我很清楚你要表达的意思，我只是说基本术语不清。

我写这么多，并不是反对你，其实从产品设计和国内现有的工程师看，你有什么多的产品经验以及算很好了，记住，是产品设计经验，不是机械谁经验。

喋喋不休写什么多，现实中大概率是要别骂以为自己牛逼，其实狗屁不是的。。不过无所谓。

爱看书的pig

liuxiaoran 发表于 2022-12-20 19:44
这就是所谓的设计能力之一吧，其实一个好的产品设计，在材料的选择上至关重要，甚至到了生死存亡的地步，“ ...

第一，机械是运动和力的系统。第二，机械设计是分析力和运动，得到尺寸，材料或者外形

这句话说的真好。学习学习