機(jī)械零件的常用材料和結(jié)構(gòu)工藝性

2025/6/61第一章機(jī)械零件的常用材料和結(jié)構(gòu)工藝性§1-1機(jī)械零件的常用材料及選用§1-2機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性§1-3機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化2025/6/62§1-1機(jī)械零件的常用材料及選用一、機(jī)械零件常用材料

復(fù)合材料黑色金屬（鋼、鑄鐵等）有色金屬（如銅、鋁及其合金等）非金屬材料金屬材料如工程塑料、橡膠、玻璃等如纖維增強(qiáng)塑料、金屬陶瓷等2025/6/63鐵碳合金（C<2%）結(jié)構(gòu)鋼（機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等）工具鋼（刀具、量具、模具等）特殊鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等）1、鋼用途碳素鋼（非合金鋼）低合金鋼合金鋼化學(xué)成分2025/6/64表1-1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)力學(xué)性能（不小于）用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服點(diǎn)σs/MPa伸長(zhǎng)率δ/%Q195315~43019533沖壓件、焊接件及受載小的機(jī)械零件，如墊圈,開口銷、地腳螺栓等Q215Q235335~450375~5002152353126焊接件、金屬結(jié)構(gòu)件及螺栓、螺母、鉚釘、銷軸、連桿、支座等受載不大的機(jī)械零件Q255Q275410~550490~6302552752420金屬結(jié)構(gòu)件及螺栓、螺母、墊圈、楔、轉(zhuǎn)軸、心軸、鏈輪、吊鉤、連桿等受力較大的機(jī)械零件1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)含義：Q235，Q235-A（B、C、D）2025/6/652）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼表1-2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)力學(xué)性能（不小于）用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服點(diǎn)σs/MPa伸長(zhǎng)率δ/%10203354102052453125冷沖壓件、連接件及滲碳零件，如心軸、套筒、螺栓、螺母、吊鉤、摩擦片、離合器盤等30454906002953552116調(diào)制零件，如齒輪、套筒、連桿、軸類零件及連接件等6070675715400420129彈簧、彈性墊圈、凸輪及易磨損零件牌號(hào)含義：45鋼（平均含碳量為萬(wàn)分之45)C≤0.25%低碳鋼，強(qiáng)度、硬度低，塑性、焊接性能好0.25%<C<0.6%中碳鋼，綜合性能好，應(yīng)用最廣C≥0.6%高碳鋼，彈性或易磨損元件2025/6/663）合金結(jié)構(gòu)鋼表1-3合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)力學(xué)性能（不小于）用途抗拉強(qiáng)度σb

/MPa屈服點(diǎn)σs/MPa伸長(zhǎng)率δ/%20Cr83554010用于要求心部強(qiáng)度高，承受磨損，尺寸較大的滲碳零件20Mn278559010可代替20Cr鋼制造齒輪、軸等滲碳零件40Cr9807859用于較重要的調(diào)質(zhì)零件，如連桿、重要齒輪、曲軸等35SiMn88573515可代替40Cr鋼制造齒輪、軸類零件65Mn9807858截面小于20mm的冷卷彈簧50CrVA1275113010大截面高強(qiáng)度彈簧牌號(hào)含義：如45Mn2，40Cr，50CrVA當(dāng)合金元素的平均含量低于1.5%僅用元素符號(hào)表示2025/6/67牌號(hào)力學(xué)性能（不小于）用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服點(diǎn)σs/MPa伸長(zhǎng)率δ/%ZG230-45045023022機(jī)座、機(jī)蓋、箱體等。焊接性良好ZG270-50050027018飛輪、機(jī)架、蒸汽錘、聯(lián)軸器、水壓機(jī)工作缸，焊接性尚好ZG310-57057031015聯(lián)軸器、氣缸、齒輪、重載荷機(jī)架ZG340-64064034010起重運(yùn)輸機(jī)中的齒輪、聯(lián)軸器等重要機(jī)件4）鑄鋼表1-4一般工程用鑄造碳鋼可用鑄造方法來(lái)獲得毛坯，適用于尺寸較大、形狀復(fù)雜、要求較高的零件。牌號(hào)含義：ZG230-4502025/6/68

2、鑄鐵鐵碳合金（C>2%）

鑄鐵性脆，不適合于鍛壓和焊接，但熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，可鑄造形狀復(fù)雜的大小鑄件。主要包括：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。牌號(hào)力學(xué)性能用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa抗壓強(qiáng)度σs/MPaHT200200750氣缸、齒輪、機(jī)床、飛輪、齒條、襯筒、一般機(jī)床鑄有導(dǎo)軌的床身、液壓筒、泵的殼體等.HT2502501000閥殼、油缸、氣缸、聯(lián)軸器、機(jī)體、齒輪、齒輪箱外殼、飛輪、凸輪、軸承座等.HT3003001100齒輪、凸輪、車床卡盤、壓力機(jī)的床身、導(dǎo)板、增壓液壓筒、泵的殼體等.牌號(hào)含義：HT150（抗拉強(qiáng)度平均值）表1-5灰鑄鐵2025/6/69銅及銅合金

黃銅：Cu與Zn（≥15%）合金

青銅錫青銅：Cu與Sn的合金

無(wú)錫青銅：Cu與Al、Si、Pb等的合金

2)鋁及鋁合金

形變鋁合金：防銹鋁、鍛鋁等

鑄造鋁合金（應(yīng)用最廣的輕金屬）

3、有色金屬銅的力學(xué)性能很低，在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用并不多。2025/6/6101）銅及銅合金表1-6銅合金牌號(hào)力學(xué)性能材料狀態(tài)用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ/%ZCuSn10P1(10-1錫青銅)22031032砂模金屬模受沖擊載荷的耐磨件，如齒輪、渦輪、軸瓦、襯套、絲桿螺母等ZCuAl10Fe3(10-3鋁青銅)4905401012砂模金屬模重要的軸承、軸套、輪緣及大型鑄件等H62(62黃銅)37049棒材螺母、墊圈、鉚釘、彈簧等導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、減摩耐磨性、耐腐蝕性良好2025/6/6112）鋁及鋁合金表1-7鋁合金牌號(hào)力學(xué)性能材料狀態(tài)（棒材）用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ/%2Al1(LY11，硬鋁)42015砂模金屬模中等強(qiáng)度零件及焊接件，如螺栓、鉚釘、接頭、骨架等7A04(LC4，超硬鋁)60012砂模金屬模高強(qiáng)度零件、大梁、框架等ZAlSi7Mg(ZL101鑄鋁硅合金)2221棒材中等強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的零件，如支架、客體、發(fā)動(dòng)機(jī)附件等

鋁及鋁合金是應(yīng)用最廣的輕金屬，純鋁有良好的塑性、耐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和焊接性。2025/6/6124、工程塑料

在工程中用來(lái)作結(jié)構(gòu)或傳動(dòng)件材料的塑料，具有較高的強(qiáng)度，質(zhì)量輕，絕緣性、減摩耐磨性、耐蝕性、耐熱性好。牌號(hào)力學(xué)性能用途抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ/%尼龍6646~81.360~200適用于中等載荷、溫度≤100~120℃、無(wú)潤(rùn)滑或少潤(rùn)滑條件下工作的耐磨受力傳動(dòng)零件.聚四氟乙烯(PTEE，F(xiàn)-4)13.7~24.5250~350主要用作耐化學(xué)腐蝕、耐高溫的密封元件，也用作輸送腐蝕介質(zhì)的高溫管道、耐腐蝕襯里、容器以及軸承、導(dǎo)軌、無(wú)油潤(rùn)滑活塞環(huán)、密封圈等.酚醛塑料(PF)24.5常用的為層壓酚醛塑料和粉末狀壓制塑料，有板材、管材及幫料等?？捎米鬏S承、軸瓦、帶輪、齒輪、制動(dòng)裝置和離合裝置的零件、摩擦輪及電器絕緣零件等.表1-8工程塑料2025/6/613二、鋼的熱處理簡(jiǎn)介1、熱處理定義：將鋼在固態(tài)下進(jìn)行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法。目的：促使鋼內(nèi)部組織機(jī)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高零件的力學(xué)性能和改善工藝性能。熱處理能充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)省鋼材，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。2025/6/614

時(shí)間溫度加熱保溫臨界溫度淬火回火調(diào)質(zhì)退火正火加熱保溫臨界溫度調(diào)質(zhì)正火加熱保溫臨界溫度正火回火臨界溫度正火退火正火淬火回火調(diào)質(zhì)化學(xué)熱處理2、常用的熱處理方法2025/6/615

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后隨爐冷卻。1.消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，便于切削；2.提高塑性和韌性；3.改善組織為進(jìn)一步熱處理作準(zhǔn)備。退火：2025/6/616正火：1.消除內(nèi)應(yīng)力（不如退火徹底），鋼的強(qiáng)度、硬度較退火高；2.不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高。

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻。2025/6/617

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在水或油中快速冷卻。1.鋼的硬度急劇增加，但存在很大的內(nèi)應(yīng)力，脆性增加；2.為了減少內(nèi)應(yīng)力、降低脆性和獲得良好的機(jī)械性能，淬火后一般均需回火。淬火：2025/6/618

將淬火鋼重新加熱到某一低于臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻?；鼗穑?50～250℃作用：減少內(nèi)應(yīng)力、降低脆性；同時(shí)保存淬火鋼的高硬度和耐磨性。應(yīng)用：刀具，量具350～500℃作用：彈性↑，硬度↓應(yīng)用：有彈性要求的零件，如：彈簧500～650℃作用：強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等都較好應(yīng)用：重要的機(jī)械零件，如：齒輪，軸等。高溫回火中溫回火低溫回火2025/6/619

調(diào)質(zhì)可以提高和改善材料的綜合力學(xué)性能。一些重要的零件，特別是一些在變應(yīng)力作用下的零件，如連桿、齒輪、軸等常采用調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)即淬火和高溫回火的綜合熱處理工藝。調(diào)質(zhì)：2025/6/620

表面淬火

將機(jī)械零件表面迅速加熱到淬火溫度，熱量未傳至中心，即快速冷卻的熱處理方法。2025/6/621

將機(jī)械零件放在含有某種化學(xué)元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使該元素的活性原子滲入到零件表面的熱處理方法?；瘜W(xué)熱處理作用：表面硬而耐磨，芯部仍保持原有韌性。

滲碳滲氮（氮化）

碳氮共滲（氰化）2025/6/622

滲碳（carburizing/carburization）

滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)﹑汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。

2025/6/623

滲氮（nitriding）

又稱氮化，是指向鋼的表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度與耐磨性以及提高疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性等。

與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機(jī)器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。2025/6/624

碳氮共滲（氰化）

碳氮共滲后淬火加低溫回火。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。氰化常用于低碳鋼和中碳鋼。2025/6/625

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，零件材料的選用是否合理，將直接影響到機(jī)械的使用性能、工作可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在選用材料時(shí)，應(yīng)注意：

1.使用方面的要求

1）零件所受載荷的大小和性質(zhì)，以及應(yīng)力狀態(tài)；

2）零件的工作條件；

3）零件尺寸、重量有無(wú)限制；

4）零件的重要程度；

5）其他特殊要求，如導(dǎo)電性、抗磁性等。三、選用材料的基本原則2025/6/6262.工藝性方面的要求所選的材料要保證零件便于制造，即應(yīng)與零件的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度、尺寸大小和毛坯的制造方法相適應(yīng)。例：焊接毛坯（焊接性能好）、沖壓或模鍛（塑性較好）3.經(jīng)濟(jì)方面的要求所選材料應(yīng)保證零件最經(jīng)濟(jì)地制造出來(lái)，不僅要考慮原材料價(jià)格的高低，還要考慮零件制造成本的高低。2025/6/627

總之，在選用材料時(shí)，要綜合考慮各相關(guān)因素，并分清主次，以滿足主要要求，協(xié)調(diào)次要要求;參照已成功使用著的同類機(jī)器中各零件材料的應(yīng)用情況。2025/6/628§1-2機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性

能以最低的成本和最少的勞動(dòng)量將零件制造出來(lái)，并便于裝配、維修和更換。良好的工藝性機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性零件所具有的結(jié)構(gòu)是否便于制造、裝配和拆卸等。2025/6/629一、便于零件毛坯的制造（表1-9，p13）鑄造1.鑄件上壁厚不宜過薄或過厚，各部分壁厚應(yīng)均勻。2.兩個(gè)面的交界處應(yīng)作出圓角，在壁厚相差超過一倍作出過渡斜度。3.在拔模方向上設(shè)有鑄造斜度，鑄件上避免內(nèi)凹形狀。2025/6/630鍛造（自由鍛）1.鍛件毛坯外形簡(jiǎn)單，一般不允許有強(qiáng)肋。2.外形平直、對(duì)稱，避免錐形、楔形。3.不允許在交叉件內(nèi)設(shè)凸臺(tái)。2025/6/631沖壓1.輪廓設(shè)倒圓，提高模具壽命。2.彎曲件最好形狀對(duì)稱，否則影響成形。3.各部分尺寸合比例，否則難以成形。2025/6/632焊接1.考慮焊接時(shí)操作方便。2.避免焊縫過分集中，以減小變形和防止裂紋。3.焊縫避免設(shè)在應(yīng)力集中的地方。2025/6/633二、便于零件的機(jī)械加工（表1-10，p15）1.被加工面的尺寸和數(shù)量盡可能減少。2.加工面力求布置在同一平面，加工面和不加工面明顯分開。3.盡量統(tǒng)一同一零件上的切槽、圓角、鍵槽等。2025/6/634退刀槽、越程槽盲孔加工與設(shè)計(jì)斜面鉆孔加工與設(shè)計(jì)斜面鉆孔加工與設(shè)計(jì)2025/6/635三、便于零件的裝卸和可靠定位（表1-11，p17）1.要有足夠的安裝空間2.定位銷空盡可能鉆穿，便于取出與鐵屑的排出2025/6/6363.合理設(shè)計(jì)定位面4.定位面不宜過多2025/6/637§1-3機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化

定義：標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對(duì)零