《機械設計基礎》課件第1章

第1章總論1.1“機械設計基礎”課程的研究

1.2機械設計的基本要求和一般步驟1.3現代設計理論及方法簡介1.4機械零件的常用材料及鋼的

熱處理概念習題

1.1“機械設計基礎”課程的研究對象和內容1.1.1機械的組成機械設計基礎的研究對象是機械，而機械是機構與機器的總稱。在現代生活、工作和生產中，種類繁多的機器得到廣泛的使用，如電動機、汽車、內燃機、紡織機、起重機、縫紉機、洗衣機、照相機和計算機等。根據它們的組成、運動和功能的特點，對其進行概括和抽象，機器可定義如下：機器是一種根據人類使用要求而設計，用來完成給定工作過程并具有確定機械運動的裝置，可以用來變換或傳遞能量、物料和信息。根據機器的工作類型不同，一般可以分為動力機器、工作機器和信息機器三類。如電動機或內燃機是用來變換能量的，屬于動力機器；金屬切削機床是用來變換物料狀態(tài)的，起重運輸機是用來傳遞物料的，它們都屬于工作機器；照相機或計算機是用來變換信息的，屬于信息機器。如圖1-1所示為單缸四沖程內燃機，它是由氣缸體1、活塞2、氣門桿3、連桿4、凸輪軸5、曲軸6等組成的?；钊耐鶑瓦\動通過連桿變?yōu)榍S的連續(xù)轉動。凸輪和頂桿是用來啟/閉進氣閥和排氣閥的。齒輪用來保證進、排氣閥和活塞之間形成有一定節(jié)奏的動作。圖1-1內燃機如圖1-2所示為一個具有六個自由度，可用于點焊、弧焊和搬運的工業(yè)機器人。它由腰部1、大臂2、小臂3、手腕4～6、機座7等組成。其中腰部1作回轉運動；大臂2、小臂3與腰部一起確定末端執(zhí)行器在空間的位置；通過手腕4、5和6的俯仰、擺動和旋轉，確定末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)，最后實現對焊接或搬運作業(yè)位置和姿態(tài)的控制。從以上兩個實例以及日常生活中所接觸過的其他機器可以看出，雖然各種機器的構造、用途和性能各不相同，但是從它們的組成、運動確定性以及功能關系來看，都具有以下幾個共同的特征：

(1)它們都是由各種材料做成的制造單元(通常稱為零件)經裝配而成的各個運動單元(通常稱為構件)的組合體。圖1-2工業(yè)機器人

(2)組成它們的各個運動單元之間都具有確定的相對運動。(3)能夠完成有用的機械功或轉換機械能與電能。只具有前兩個特征的構件組合，通常稱為機構。機構由構件組成，而且具有一定的相對運動關系。因此，構件是機構運動分析的基本單元。通常，一臺完善的現代化機器具有4個組成部分，即原動機、傳動機構、執(zhí)行機構和控制系統。原動機可將其他形式的能量轉換為機械能，如內燃機、蒸汽機、電動機等；傳動機構將運動和動力傳遞給執(zhí)行機構，如齒輪、絲杠等；執(zhí)行機構用于實現機器的功能，如機床的刀架、機器人的手爪等；控制系統則用于保證機器各組成部分之間的工作協調，以及與外部其他機器或原動機之間的協調，例如，用各種傳感器收集機器內、外部的信息，輸入計算機進行處理，并向機器各部分發(fā)出指令，使之協調地進行工作，從而達到提高工作質量和生產效率以及降低能耗的目的。1.1.2基本術語

1．構件機器中的運動單元體稱為構件。構件可以是一個零件，如實心式齒輪、帶輪、蝸桿等，也可以是若干個零件的剛性組合結構，如圖1-3所示的連桿，由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、螺栓4、螺母5和軸套6等零件組成。這些零件分別加工制造，然后裝配成連桿。這時它是一個運動整體，組成構件的連桿體、連桿蓋、軸瓦、螺栓、軸套之間沒有相對運動。

2．零件及部件

1)零件組成機械的基本制造單元稱為零件，如機械中的軸、齒輪(整體式)、螺釘、螺母、鍵等。圖1-3連桿

2)部件為完成同一功能在結構上組合在一起，協同工作的零件的總成稱為部件。如機械中的聯軸器、減速器、滾動軸承等。機械中的零、部件通常又分為兩大類：一類是在各種機器中都普遍使用的零、部件，稱為通用機械零、部件，如齒輪、滾動軸承等；另一類是只在某些特定類型的機器中才使用的零、部件，稱為專用機械零、部件，如內燃機的曲軸、農業(yè)機械的犁鏵、汽輪機的葉片等。本書只介紹通用機械零、部件的有關設計內容。

3．標準件經過優(yōu)選、簡化、統一，并給以標準代號的零件和部件稱為標準零、部件。如螺栓、螺母、鍵、滾動軸承、聯軸器等都是標準件。1.1.3本課程的主要內容“機械設計基礎”是一門專業(yè)基礎課程，它主要是研究機器中常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本設計原理和計算方法等。內容主要包括：工程力學基礎、平面機構的運動簡圖及其自由度、凸輪機構、平面連桿機構、齒輪傳動、輪系、帶傳動和鏈傳動及其他結構；螺紋聯接、軸與軸轂聯接、軸承、聯軸器與離合器；平衡和調速；機械創(chuàng)新設計理論及方法等。通過本課程的學習，學生能綜合運用先修課程的知識(如機械制圖、金屬工藝學等)，在設計機械傳動裝置方面得到初步訓練，也為進一步學習專業(yè)課和今后從事機械設計工作打下基礎。通過本課程的學習，學生應達到以下基本要求：

(1)掌握機構的組成、運動特性，具有初步分析和設計常用機構的能力，對機械動力學的一些基本知識有所了解。

(2)掌握通用機械零件的工作原理、結構特點、設計計算和維護等知識，具有初步設計機械傳動裝置的能力。

(3)具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊及查閱有關技術資料的能力。

(4)獲得實驗技能的初步訓練。1.2機械設計的基本要求和一般步驟1.2.1機械設計的基本要求雖然不同的機械其功能和外形都不相同，但它們的設計基本要求大體是相同的。機械設計應滿足的基本要求可以歸納為以下幾個方面。

1．功能要求滿足機器預定的工作要求，如機器工作部分的運動形式、速度、運動精度和平穩(wěn)性、需要傳遞的功率以及某些使用上的特殊要求(如耐高溫、防潮等)。

2．安全可靠性要求

(1)使整個技術系統和零件在規(guī)定的外載荷和規(guī)定的工作時間內能正常工作而不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。

(2)能實現對操作人員的防護，保證人身安全和身體健康。(3)對于技術系統的周圍環(huán)境和人不致造成污染和危害，同時要保證機器對環(huán)境的適應性。

3．經濟性在整個產品的設計周期中，必須把產品設計、銷售及制造三方面作為一個系統工程來考慮，用價值工程理論指導產品設計，正確使用材料，采用合理的結構尺寸和工藝，以降低產品的成本。設計機械系統和零部件時，應盡可能標準化、通用化、系列化，以提高設計質量，降低制造成本。

4．其他要求要求機械系統外形美觀，便于操作和維修。此外，還必須考慮有些機械由于工作環(huán)境和要求不同，而對設計提出的某些特殊要求，如食品衛(wèi)生條件、耐腐蝕、高精度要求等。1.2.2機械設計的一般步驟機械設計就是建立滿足功能要求的技術系統的創(chuàng)造性過程。機械設計的一般步驟如圖1-4所示。

1．明確設計任務產品設計是一項為實現預定目標而進行的有目的的活動，因此，正確地決定設計目標(任務)是產品設計成功的基礎。明確設計任務即定出技術系統的總體目標和各項具體的技術要求，這是設計、優(yōu)化、評價、決策的依據。圖1-4機械設計的一般步驟明確設計任務包括分析所設計機械系統的用途、功能、各種技術經濟性能指標和參數范圍以及預期的成本范圍等，并對同類或相近產品的技術經濟指標、同類產品的不完善性、用戶的意見和要求、目前的技術水平以及發(fā)展趨勢，進行認真調查研究，收集材料，以進一步明確設計任務。

2．總體設計機械系統總體設計是根據機器要求進行功能設計研究。總體設計包括確定工作部分的運動和阻力，選擇原動機的種類和功率，選擇傳動系統、機械系統的運動和動力計算，確定各級傳動比和各軸的轉速、轉矩和功率?？傮w設計時要考慮到機械的操作、維修、安裝、外廓尺寸等要求，確定機械系統各主要部件之間的相對位置關系及相對運動關系，以及“人—機—環(huán)境”之間的合理關系?？傮w設計對機械系統的制造和使用都有很大的影響，為此，常需做出幾個方案加以分析、比較，通過優(yōu)化求解得出最佳方案。

3．技術設計技術設計又稱結構設計，是保證產品質量、提高可靠性、降低成本的重要工作。其任務是根據總體設計的要求，確定機械系統各零部件的材料、形狀、數量、空間相互位置、尺寸、加工和裝配，并進行必要的強度、剛度、可靠性設計，若有幾種方案時，需進行評價決策，最后選擇最優(yōu)方案。技術設計時還要考慮加工條件、現有材料、各種標準零部件、相近機器的通用件等。技術設計還需繪制總裝配圖、部件裝配圖，編制設計說明書等。因此，技術設計是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細的設計過程。

4．樣機試制樣機試制階段是通過樣機制造、樣機試驗，檢查機械系統的功能及整機、零部件的強度、剛度、運轉精度、穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，隨時檢查及修正設計圖紙，以更好地滿足設計要求。

5．批量生產批量生產階段是根據樣機試驗、測試、鑒定所暴露出來的問題，進一步修正設計，以保證完成系統功能，同時驗證各工藝的正確性，以提高生產率，降低成本，提高經濟效益。產品設計過程是智力活動過程，它體現了設計人員的創(chuàng)新思維活動，設計過程是逐步逼近解答方案并逐步完善的過程。因此，設計過程中還應注意以下幾點：

(1)設計過程要有全局觀點，不能只考慮設計對象本身的問題，而要把設計對象看做一個系統，處理“人—機—環(huán)境”之間的關系。

(2)善于運用創(chuàng)造性思維和方法，注意考慮多方案解，避免解答的局限性。

(3)設計的各階段應有明確的目標，注意各階段的評價和優(yōu)選，以求出既滿足功能要求又有最大實現可能的方案。

(4)要注意反饋及必要的工作循環(huán)。解決問題要遵循由抽象到具體，由局部到全面，由不確定到確定的過程。1.3現代設計理論及方法簡介1.3.1現代設計的概念

1．設計人類在改造自然的歷史長河中不斷地進行設計活動。設計是復雜的思維過程，設計過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明的機會。設計是根據客觀的需求，發(fā)揮人們的創(chuàng)造性思維，將指定的任務轉化為滿足該任務要求的技術系統的一種活動。設計不只是圍繞產品圖紙和有關文件進行的一系列工作，其目的是將預定的目標，經過一系列規(guī)劃與分析決策，產生一定的信息(文字、數據、圖形)，形成設計。設計是把各種先進技術轉化為生產力的一種手段，是先進生產力的代表，反映了社會的生產力水平。

2．傳統設計與現代設計傳統設計即常規(guī)設計，分為初步設計、技術設計、施工設計三個步驟。傳統設計往往采用類比法、經驗法、模仿法，它的思維方式是收斂式思維，多是利用設計手冊中的有關數據，采用較大安全系數，強調零部件計算。傳統設計法的優(yōu)點是比較簡單，設計費用低廉。傳統設計面向的問題偏重于技術。現代設計是將傳統設計中的經驗法、類比法設計提高到邏輯的、理性的、系統的新設計方法，是在靜態(tài)分析的基礎上，進行動態(tài)多變量的最優(yōu)化?，F代設計既是體現了更高層次的學科，又是方法科學?，F代設計主要面向功能目標，將技術、經濟和社會環(huán)境因素結合在一起統籌考慮，把設計作為系統工程對待，強調創(chuàng)造能力的開發(fā)，注重綜合分析的設計，重視設計方案的選擇，考慮對多種方案的評價，其思維方式是發(fā)散型的思維?，F代設計是學科綜合化、統一化在方法科學上的一次突破，它是一門新興的交叉學科。現代設計與傳統設計比較，有下列幾個特征：

(1)系統性。把設計對象看做一個系統，同時考慮系統與外界的聯系，用系統工程概念進行分析和綜合，通過功能分析、系統綜合等方法，力求系統整體最優(yōu)，使人機之間的功能相互協調。

(2)創(chuàng)造性?，F代設計強調創(chuàng)造能力開發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性，重視原理方案的設計、開發(fā)和創(chuàng)新產品。今天的科學技術已經高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術基礎上的綜合。有的新產品是根據別人的研究實驗結果而設計的，有的是博采眾長，加以巧妙地組合。

(3)綜合性。在設計過程中，綜合考慮與分析市場需求、設計、生產、管理、使用、銷售等各方面的因素；綜合運用優(yōu)化及系統工程、可靠性理論、價值工程、計算機技術等學科的知識，探索多種解決設計問題的科學途徑。

(4)程式性。研究設計的一般進程，包括一般設計戰(zhàn)略和用于設計各個具體部分的戰(zhàn)術方法。要求設計者從產品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計到試驗、試制，按步驟、有計劃地進行設計。1.3.2現代設計方法的特點和范疇現代設計方法是現代廣義設計和分析科學方法學的簡稱，現代設計方法實質上是科學方法論在設計中的應用。冠以“現代”二字是為強調以引起重視，其實有些方法也并非是現代的。經分析，現代設計方法可歸納為下列具有普遍意義的方法：

(1)信息論方法，如信息分析法、技術預測法等，它們是現代設計方法的前提。

(2)系統論方法，如系統分析法、人機工程等。

(3)控制論方法，如動態(tài)分析法等。

(4)優(yōu)化論方法，如優(yōu)化設計等，它是現代設計方法的目標。

(5)對應論方法，如相似設計等。

(6)智能論方法，如計算機輔助設計、計算機輔助計算等。(7)壽命論方法，如可靠件設計和價值工程等。

(8)離散論方法，如有限元及邊界元方法等。

(9)模糊論方法，如模糊評價和決策等。

(10)突變論方法，如創(chuàng)造性設計等，它是現代設計方法的基礎。

(11)藝術論方法，如藝術造型等。1.3.3現代設計方法簡介

1．優(yōu)化設計優(yōu)化設計是現代設計方法的重要內容之一，它以數學規(guī)劃為理論基礎，以電子計算機為工具，在充分考慮各種設計約束的前提下，尋求滿足某些預定目標的最優(yōu)設計方案。優(yōu)化設計建立在最優(yōu)化數學理論和現代計算技術基礎之上，其任務是應用計算機自動確定工程設計的最優(yōu)方案。近年來，優(yōu)化設計和其他一些設計方法結合起來，形成了新的優(yōu)化設計方法。例如，優(yōu)化設計和可靠性設計結合形成可靠性優(yōu)化方法。

2．機械可靠性設計傳統的機械設計方法，將影響零件工作的設計變量，如載荷、應力、強度、壽命、安全系數、環(huán)境因素等，都視為確定的單值變量，而事實上這些設計變量具有不確定性，屬多值變量(離散變量)。在傳統設計方法中，存在一定的安全隱患，故引入安全系數，使σ＜［σ］，但這種方法不夠精確，有一定的經驗性和盲目性。機械可靠性設計則將傳統設計方法視為單值而實際上是多值的設計變量，作為某一分布規(guī)律的隨機變量，并用概率統計方法設計符合產品可靠性指標要求的零、部件和整機的主要參數及結構尺寸。以滾動軸承的選擇計算為例，手冊中的額定動載荷C是指某一失效率(可靠度為0.9)下的試驗統計值，如果所設計的機械對可靠性要求高(可靠度＞0.9)，則必須按可靠性要求進行選擇計算。理論和實踐表明，機械可靠性設計是在傳統機械設計的基礎上補充了可靠性特殊技術的一種新型設計方法。目前，可靠性觀點和方法已成為質量保證、安全性保證、產品責任預防等不可缺少的依據和手段，也是技術人員掌握現代設計方法所必須掌握的重要內容之一。

3．計算機輔助設計計算機輔助設計(簡稱CAD)是在設計中，利用計算機幫助設計者設計計算和繪圖的技術。采用CAD，可將先進的優(yōu)化設計引入設計過程，縮短設計周期，提高設計效率和設計質量，使產品設計最優(yōu)化和自動化。

CAD的內容很多，如優(yōu)化設計、計算機繪圖、有限元分析和概念設計等。在CAD過程中，計算機要進行信息加工、管理和交換，即在設計者以初步構思、判斷、決策的基礎上，由計算機對數據庫中的設計資料進行查詢，根據設計要求進行計算、分析及優(yōu)化，并將初步結果顯示出來，使人機交互，進行反復修改，最后經設計人員確認，在自動繪圖機上打印出設計結果。隨著計算機的飛速發(fā)展，CAD已逐步實用化，用于各個行業(yè)的設計領域，目前正朝著智能計算機輔助設計的方向發(fā)展。

4．有限元分析法傳統機械設計對通用零件的計算都是將實際結構簡化為某一種計算模型，并采用經典力學的方法計算(其誤差用安全系數考慮)。對于某些結構復雜、計算精確性要求高的零件，經典力學則難以計算，而采用有限元分析法便能夠得到圓滿的解答。有限元分析法(簡稱有限元法)是現代機械設計中不可缺少的重要手段，其應用已涉及機械工程、土木工程、機構學、地質力學、熱傳導、電磁場等眾多領域，幾乎適用于所有連續(xù)介質和場的問題，成為科研、工程設計必不可少的數值分析工具。目前，有限元法已發(fā)展成為科學技術中一種標準計算工具，其應用十分廣泛。在機械工程中，凡計算零部件的應力、變形、動態(tài)響應、穩(wěn)定性分析等，都可采用有限元法，如齒輪、軸、軸承、螺栓、活塞、連桿、壓力容器、箱體等的應力、變形和動態(tài)響應計算以及潤滑問題等。其具體作用是實現機械零、部件的優(yōu)化設計，同時，作為結構分析的工具，實現結構的合理化。隨著計算機的發(fā)展，采用有限元法進行設計時，人們不再需要花精力編寫程序，可選擇現有的各種商品化軟件，由計算機進行輔助網格劃分、前處理、輸入節(jié)點坐標和單元聯接信息，并可利用良好的人機對話和鮮明的視覺效果進行工作。

5．創(chuàng)新設計創(chuàng)新設計是指在設計中，工程技術人員通過自己的創(chuàng)造性思維，采用新技術、新原理和新手段，設計出新穎獨特的產品。顯然，創(chuàng)新設計是機械設計的靈魂。有關創(chuàng)新設計的具體內容，將在本書第14章詳述。1.4機械零件的常用材料及鋼的熱處理概念1.4.1機械零件的常用材料機械制造的常用材料主要是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金和非金屬材料。

1.鋼鋼是指碳的質量分數小于2%的鐵碳合金，也是機械零件中應用最廣的材料，具有較好的強度、韌性、塑性等性能，并可通過熱處理來改善力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可由鍛造、輾軋、沖壓、焊接或鑄造等方法獲得。鋼的種類繁多，其分類方法有五種：按用途分為結構鋼和特殊鋼；按化學成分分為碳鋼和合金鋼；按碳的質量分數的多少分為低碳鋼(碳的質量分數低于0.25％)、中碳鋼(碳的質量分數為0.25％~0.5%)、高碳鋼(碳的質量分數大于0.5％)；按質量分為普通鋼和優(yōu)質鋼；按煉鋼時的脫氧程度和鋼錠中氣孔存在的情況分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。鋼的命名和牌號，往往用幾種分類的組合形式或用漢語拼音字母加數字表示。

1)普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼按性能又分四個等級，用A、B、C和D表示；而F、Z、b和TZ分別表示沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。通常表示符號為Z和TZ時可以省略。例如，普通碳素結構鋼的標記：Q235-A·F，其中“Q”是屈服點的“屈”字的漢語拼音字頭；235表示σS＝235MPa，其值為16mm直徑(或厚度)的鋼材的試驗值；A表示A級；F表示沸騰鋼。普通碳素結構鋼用作焊接件、拉桿、鉚釘等。

2)優(yōu)質碳素鋼優(yōu)質碳素鋼的牌號是用碳的質量分數的萬分數表示的，如25、45和55號鋼分別表示碳的質量分數為0.25％、0.45％和0.55%。低碳鋼強度不高、可淬性不好，只能用作強度不高的鍛件和焊接件或經表面滲碳處理后用做表面耐磨、內部抗沖擊的零件(如軸、齒輪等)；中碳鋼可淬火和正火處理，用作較重要的軸和齒輪等；高碳鋼可淬性更好，可以獲得更高的表面硬度和強度，用作高強度的齒輪、曲軸和彈簧等。

3)合金結構鋼合金結構鋼是在優(yōu)質碳素結構鋼中摻入適當的合金元素冶煉而成的。如錳(Mn)能提高材料的強度和韌性；鉬(Mo)的作用類似于錳，而影響更大；鎳(Ni)可提高材料的強度而不降低韌性；硅(Si)可提高材料的彈性和耐磨性，但會降低韌性；鉻(Cr)能提高材料的硬度和耐磨性；釩(V)能提高材料的強度和韌性。合金元素總質量分數低于5%者稱為低合金鋼，高于5%者稱為高合金鋼。合金結構鋼的牌號采用“數字＋合金元素符號＋數字”的方法表示。例如25CrMoV，其中，“25”表示平均碳的質量分數的萬分數，即平均碳的質量分數為0.25％；合金元素符號后的數字表示該元素平均質量分數的百分數，若平均質量分數小于1.5％，其后則不標數字，若平均質量分數≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％……，則以2、3、4……表示。對于有害元素硫、磷含量較低(ωS≤0.02％、ωP≤0.03％)的優(yōu)質合金鋼，則在鋼號最后加A，例如60Si2CrVA。合金鋼的熱處理工藝性好，但價格高,對應力集中較敏感。

4)特殊鋼具有特殊物理性能和化學性能的鋼為特殊鋼，如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等，應用時可由材料手冊中選擇。5)鑄鋼機械中形狀復雜、尺寸較大、機械性能要求較高的機械零件可用鑄鋼制造，其牌號前冠以字母ZG。對于碳素鑄鋼，在ZG后加兩組數字表示它的屈服點和抗拉強度，例如ZG230-450，表示該鑄鋼的屈服點為230MPa，抗拉強度為450MPa。對于合金鑄鋼，則只在合金鋼牌號前面加“ZG”，例如ZG35SiMn。鑄鋼的鑄造性比灰鑄鐵差，故鑄鋼件的壁厚、連接處的圓角和過渡部分的尺寸均應比灰鑄鐵的稍大。

2.鑄鐵碳的質量分數大于2%的鐵碳合金稱為鑄鐵，鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性較差，無法進行鍛造，但它的抗壓強度較高，具有良好的鑄造性、切削加工性和減摩性等，而且價格低廉，常用于制造承受壓力的基礎零件或形狀復雜、對機械性能要求不高的機械零件。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵三種?；诣T鐵牌號前加有“HT”，而后面的數字為其強度極限值；球墨鑄鐵的牌號前加有“QT”，而后面的數字為其強度極限值和延伸率?？慑戣T鐵的牌號前加有“KT”，而后面的數字為其強度極限值和延伸率?；诣T鐵中的碳主要以片狀石墨形式存在，因斷口呈灰色而得名?；诣T鐵是制造機械零件的主要鑄造材料，常用于制造帶輪、輕載低速大齒輪、機座和箱體等。球墨鑄鐵因所含石墨成球狀而得名，其力學性能接近于低碳鋼，常用來替代鋼，制造曲軸等需承受沖擊載荷且形狀復雜的零件。

3.有色金屬合金有色金屬合金具有一些特殊性能，如高的導電性、導熱性、耐蝕性和減摩性等，因而成為現代工業(yè)技術中不可缺少的材料。但有色合金稀少，價格昂貴，只有需要滿足特殊要求時才予以采用。機械零件常用的有色金屬材料主要有銅、鋁基合金和軸承合金等。

4.非金屬材料工程塑料、橡膠、皮革、陶瓷、木材、石材等都是非金屬材料。工程塑料具有重量輕、絕緣、耐熱、耐蝕、耐磨、注塑成型方便等優(yōu)點，近年來得到廣泛的應用。橡膠除具有彈性，能緩沖吸振外，還具有耐磨、絕緣等性能，多用于制造膠帶、密封墊圈、輪胎和減振零件等。1.4.2材料的選擇在機械設計中選擇材料是一個重要問題。設計者在選擇材料時，應充分了解材料的性能和適用條件，并考慮零件的使用、工藝和經濟性等要求。

1.使用要求為保證機械零件不失效，根據載荷作用情況，對零件尺寸的限制和零件重要程度，對材料提出強度、剛度、彈性、塑性、沖擊韌性、阻尼性和吸振性等力學性能方面的相應要求。同時，由于零件工作環(huán)境等其他需求，對材料可能還有密度、導熱性、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性等物理性能和化學性能方面的要求。

2.工藝要求選擇零件材料時必須考慮到加工制造工藝的影響。鑄造毛坯應考慮材料的液態(tài)流動性、產生縮孔或偏析的可能性等；鍛造毛坯應考慮材料的延展性、熱脆性和變形能力等；焊接零件應考慮材料的可焊性和產生裂紋的傾向等；對進行熱處理的零件應考慮材料的可淬性、淬透性及淬火變形的傾向等；對于切削加工的零件應考慮材料的易切削性、切削后能達到的表面粗糙度和表面性質的變化等。

3.經濟性從經濟觀點出發(fā)，在滿足性能要求的前提下，應盡可能選用價廉的材料，以降低材料費用。另外還應綜合考慮生產批量等因素的影響，如大量生產宜用鑄造毛坯，單件生產采用焊接件，可以降低制造費用。1.4.3鋼的熱處理概念為了充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高機械零件的工作能力，通常機械中大多數零件都要進行熱處理。鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到一定溫度，進行必要的保溫，然后采用不同的冷卻速度，以改變鋼及其合金的組織結構，從而得到所需性能的工藝方法。熱處理在提高機器性能方面具有十分重要的作用。常用的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等。

1.退火退火是將鋼加熱到一定溫度(對45鋼一般在830～860℃)，保溫一段時間，然后隨爐冷卻的熱處理方法，其目的是消除材料內部組織應力和降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韌性；改善組織，為進一步熱處理做好準備。

2.正火正火的方法與退火相似，但正火時鋼是在空氣中冷卻。由于正火的冷卻速度比退火快，鋼的硬度和強度較高，但消除內應力不如退火徹底。正火時鋼在爐外冷卻，不占用設備，生產率較高，故低碳鋼大多采用正火代替退火(但對中碳鋼一般不用正火代替)。對一般要求的零件，正火常用于提高其機械性能，且正火后不再進行其他熱處理。

3.淬火淬火是將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后在水或油中快速冷卻的一種熱處理方法。淬火后，鋼的硬度急劇增加，但存在很大的內應力，脆性也相應增加。淬火的主要目的是提高材料的硬度，以提高零件的耐磨性及疲勞強度。

4.回火回火是將淬火鋼重新加熱到某一低于臨界溫度的溫度，保溫一段時間，然后冷卻下來的熱處理方法(一般在空氣中冷卻)?；鼗鹂煞譃榈蜏鼗鼗?、中溫回火和高溫回火三種。低溫回火的加熱溫度為150~250℃，淬火鋼經低溫回火后，可以減小內應力和脆性，仍能保持淬火鋼的高硬度和耐磨性，適用于刀具、量具等工具；中溫回火的加熱溫度為350~450℃，淬火鋼經中溫回火后，提高了彈性，但