2017年5月29日

材料选择:设计要求

这是关于材料选择过程的系列文章的第二篇。第一篇文章概述了为组件或组件之间的连接选择材料的整个过程。本文讨论了该过程的第一步——确定组件或关节的设计需求。作为一个提醒,以下是材料选择过程的步骤:

  1. 确定设计需求
  2. 确定材料选择标准。
  3. 识别候选材料。
  4. 评估候选人的材料。
  5. 选择材料。

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设计要求

下面列出了在为组件或组件之间的连接处选择材料时需要考虑的要求类别:

  1. 性能需求选择标准
  2. 可靠性要求
  3. 尺寸、形状和质量要求
  4. 成本要求
  5. 生产需求
  6. 行业标准
  7. 政府规定
  8. 知识产权需求
  9. 可持续发展要求

下面是对每一类需求的说明

性能需求
性能要求描述了组件或关节按要求工作时必须具备的属性。这些属性可以用机械、电磁、热、光学、物理、化学、电化学和美容性能来描述。

可靠性要求
一个部件或关节的可靠性是指在特定的使用条件下,在特定的使用周期内,其功能的能力。一旦材料退化到组件或节点不再按要求工作的程度,组件或节点就会失效。可靠性要求描述了材料将暴露于的使用条件,以及材料对使用条件的预期响应。使用条件的例子是暴露在高温,盐水(腐蚀)和振动。

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尺寸、形状和质量要求
零件或接头的尺寸、形状和质量要求将对可使用的材料产生巨大影响。考虑一个必须携带5安培电流而不加热超过15安培的元件o高于环境温度C。直径为1mm的部件的导电性必须是直径为2mm的部件导电性的4倍左右。与20磅重的车架相比,重10磅的自行车车架的车架管必须采用密度较低的材料。对于一个必须支撑200磅的构件,直径必须为0.20英寸的构件中的材料的屈服应力必须比直径为0.50英寸的构件中的材料大得多。

成本要求
构成一个组件或连接件或购买一个组件的成本取决于1)构成一个组件或连接件的材料,2)构成一个组件或连接件的制造过程,3)一个组件是定制的还是从“现成供应商”购买的,4)所购买的材料或组件的数量,5)与材料或组件相关的质量问题。如果你想降低成本,从材料工程的角度考虑需要什么来进行生产过程的改变,以解决项目2和5。

生产需求
公司可能要求在制造组件和建造组件或子组件时使用特定的工艺。也许一个公司有必须使用的内部制造能力,或者一个公司对使用熟悉的制造工艺制造的组件或接头熟悉和舒适。

对可用于制造产品的工艺的限制将限制可用于制造部件的材料,因为这些材料必须与制造产品的工艺和其他材料兼容。例如,使用特定的焊接、钎焊或焊接工艺连接的部件必须由能够使用特定的连接工艺形成良好连接的材料制成。这可能会排除来自一个或多个供应商的现成组件,因为他们的组件由与工艺不兼容的材料制成。对于定制组件,限制可能要求使用某些材料,以形成良好的连接。

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由于许多制造工艺仅限于加工某些特定的材料,因此将制造工艺局限于人们所熟悉的工艺,将限制可用于组成部件或连接件的材料的选择。在某些方面,制造限制是可以接受的,而且实际上可能是可取的,因为使用熟悉的工艺和材料减少了与变更或新产品相关的风险。然而,在新产品与旧产品有显著不同的情况下,使用特定制造工艺的限制似乎是一种负担。

行业标准
有关于部件和连接件的性能和可靠性的行业标准。在某些情况下,特定的标准将讨论组件和联合需求。对于特定于组件的标准,标准进行了讨论

  • 用于特定用途的部件的大小和形状。
  • 用于特定应用的组件可以使用和不能使用的材料。
  • 为验证用于制造部件的材料的性能而进行的试验。

政府规定
政府对产品中使用的材料的规定通常与可以或不能用于制造部件和连接件的材料的要求有关。这些要求涉及哪些材料可以或不能用于组件或接头,以及特定应用中材料的预期质量和可靠性。每个国家都有自己的一套法规。

知识产权需求
关于部件或关节的设计和制造有许多专利。如果发现一项专利适用于所选择或设计的组件或连接件,那么设计团队必须决定是否许可该专利或设计该组件或连接件,以避免与专利发生冲突。

可持续发展要求
这些要求将可用于部件和接头的材料限制为可重复使用或回收的材料。这些要求还可能将可用于构成部件和连接件的制造工艺限制为不损害环境和不使用使用对环境不利的工艺制造的化学品和材料的工艺。产品的可持续性要求变成了其组件和连接件的可持续性要求。

时间和金钱;专注和自律

要考虑的不同类型的需求列表可能看起来很长。对下一个项目的所有需求进行完整的描述可能需要一些时间。但是,它将加快评估根据整套要求确定的材料和供应商的过程。考虑与评估被发现不合适的材料和供应商相关的时间和金钱。

实现这个过程需要一点专注和纪律,但较少的问题和更快的实现或设计的回报是非常值得的。

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