机械设计基础-第二章机械设计的基础理论

1、南京航空航天大学 机电学院南京航空航天大学 机电学院前一章知识回顾：1、机械设计这门课程研究的对象2、机器/机构/构件/零件3、机械的发展历程概述4、机械设计的基本要求5、机械设计的基本过程南京航空航天大学 机电学院本章主要内容： 机械零件的失效与设计要求（2.1 ，2.2 ） 强度准则（2.3，2.4） 摩擦学设计基础（2.5） 零件制造常用材料及其选择（2.6） 机械设计中的标准化和互换性（2.7） 机械设计中的工艺性（2.8）南京航空航天大学 机电学院2.1 机械零件的失效与设计基本要求机械零件的失效与设计基本要求一、一、失效概念失效概念（Failure）设计的使用条件下设计的使用条件下

2、设计的寿命期限内设计的寿命期限内不能完成不能完成设计的功能设计的功能失效失效零零件件南京航空航天大学 机电学院二、失效形式二、失效形式（Failure types）1、整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形过大弹性变形过大弹性变形5、功能失效3、变形变形 过大过大胶合胶合4、过大振动过大振动腐蚀腐蚀南京航空航天大学 机电学院强度准则强度准则刚度准则刚度准则稳定性准则稳定性准则耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则三、机械零件三、机械零件设计准则设计准则/ /设计基本要求设计基本要求因为失效类型不同，因为失效

3、类型不同，所以机械零件的工作能力所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件类型也不同，故机械零件的计算准则也不同的计算准则也不同 南京航空航天大学 机电学院分为体积强度和表面强度，其中表面强度又分为分为体积强度和表面强度，其中表面强度又分为表面挤表面挤压强度压强度和和表面接触强度表面接触强度，强度是最基本的设计要求。，强度是最基本的设计要求。整体失效（断裂或大的塑性变形）整体失效（断裂或大的塑性变形）表面失效（表面损伤）表面失效（表面损伤）强度强度（strength）：）：强度不足导致的失效：强度不足导致的失效：强度准则强度准则指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余指零件承受载荷后

4、抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。变形的能力。南京航空航天大学 机电学院采用高强度的材料；确定零件足够的截面尺寸；合理设计零件截面的形状；采用热处理和化学处理方法，以提高材料的力学性能；提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；.提高强度的措施：南京航空航天大学 机电学院刚度准则刚度准则刚度：刚度：指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。性变形而失效。 例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。yy y可以是挠度、偏

5、转角或扭转角可以是挠度、偏转角或扭转角 南京航空航天大学 机电学院振动稳定性准则振动稳定性准则 机械振动机械振动：零件在其平衡位置附近作往复运动零件在其平衡位置附近作往复运动机器或零件处于振动不稳定状态，也称之为机器或零件处于振动不稳定状态，也称之为失去振动稳定性。失去振动稳定性。 fF0.85f 或或 fF1.15f f 是零件的固有频率；是零件的固有频率；fF 是激振力的频率。是激振力的频率。增大零件的刚度和减轻零件的质量可以提高零件的增大零件的刚度和减轻零件的质量可以提高零件的固有频率，反之则降低零件的固有频率。固有频率，反之则降低零件的固有频率。南京航空航天大学 机电学院 机械零部件由

6、于外部或内部的原因，有的工作在室温机械零部件由于外部或内部的原因，有的工作在室温以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对可能产生较高温升的零部件应进行可能产生较高温升的零部件应进行温升计算温升计算，以限制其工，以限制其工作温度。必要时可采用冷却措施。作温度。必要时可采用冷却措施。耐热性准则耐热性准则南京航空航天大学 机电学院可靠性准则可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成

7、规定功能的能力。完成规定功能的能力。 可靠度可靠度：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率定功能的概率 N N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有有N Nf f个失效，剩下个失效，剩下N N0 0个仍继续工作，则个仍继续工作，则 R=1Nf /N0南京航空航天大学 机电学院一、载荷和应力一、载荷和应力 、载荷载荷静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷按是否随时间变化，载荷2minmaxm2minmaxamax 最大应力；最大应力； min 最小应力最小应力 m 平均应力

8、；平均应力； a 应力幅值应力幅值r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）maxminr2、应力、应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力循环应力循环应力循环应力循环应力2.2 强度准则强度准则南京航空航天大学 机电学院对称循环脉动循环常见的循环应力常见的循环应力对称循环应力r = -1、 m0脉动循环应力 r=0、 min0静应力 r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）maxminr循环特性 应力比：南京航空航天大学 机电学院强度：强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 强度条件有两种

9、表示方法：强度条件有两种表示方法：1）用应力表示：）用应力表示： Slim2）用安全系数表示：）用安全系数表示：SSlimS式中：式中：计算最大应力计算最大应力lim极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数SS许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成换成 即可。即可。南京航空航天大学 机电学院 疲劳强度疲劳强度疲劳：疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式机械零件在循环应力的作用下的失效形式疲劳极限：疲劳极限：应力比为应力比为r r的应力循环作用的应力循环作用N N次后，材料不发次后，材料不发生疲劳的最大应力生疲劳

10、的最大应力疲劳寿命（疲劳寿命（N N）: :材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N N 疲劳曲线疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线力循环次数之间关系的曲线南京航空航天大学 机电学院接触强度接触强度接触应力：接触应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用下，两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力，用接触表面上产生的应力，用 表示。表示。 p接触强度：接触强度：在接触应力作用下的强度。其强度条件为：在接触应力作用下的强度。其强度条件为： pp接触应力作用下，接触面的失效形式是

11、接触应力作用下，接触面的失效形式是“压溃压溃” 。相互接触表面上的接触应力相等。相互接触表面上的接触应力相等。南京航空航天大学 机电学院122212121111HFBEE 两圆柱体接触，法向力F，接触部分发生局部弹性变形，形成长方形接触面，则在接触面上的最大接触应力可以赫兹公式计算：南京航空航天大学 机电学院2.3 2.3 摩擦学设计基础摩擦学设计基础 摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3-1/2的能源消耗在摩擦上。各种机械零件因磨损失效的约占全部失效零件的一般以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。摩擦不总

12、是有害的？南京航空航天大学 机电学院 起源起源分子吸引说 1929年，在平衡态时，物体原子间的斥力和内聚力相平衡。但当两物体接触时，一物体的原子可能与另一物体原子非常接近，以至于进入引力场中，当两表面分开时就会产生能量损失，并以摩擦阻力的形式出现。分子-机械说 1939年，摩擦力为分子阻力分量与机械阻力分量之和，即摩擦的二项式定律。机械咬合说 1699年，阿蒙顿等提出的，当两个凹凸不平的表面接触，凹凸部分彼此咬合，在发生相对运动时，相互咬合部分阻碍物体运动，摩擦力即为咬合点切向阻力的总和。表面越粗糙，摩擦力越大。南京航空航天大学 机电学院摩擦学设计的目标摩擦学设计的目标目标：目标：保证摩擦功耗

13、最低，节约能源；降低保证摩擦功耗最低，节约能源；降低材料消耗材料消耗( (包括摩擦副本身、备件和润滑剂材包括摩擦副本身、备件和润滑剂材料料) )；提高机械装备的可靠性、工作效能和使；提高机械装备的可靠性、工作效能和使用寿命。用寿命。 摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学失效摩擦学失效摩擦学设计基础摩擦学设计基础南京航空航天大学 机电学院摩擦学设计的主要内容摩擦学设计的主要内容l 摩擦副设计摩擦副设计 摩擦副设计的任务是选择摩擦副的类别、摩擦副设计的任务是选择摩擦副的类别、形状、尺寸、材料、工艺与表面处理方法和润滑方式。形状、尺寸、材料、工艺与表面处理方法和润滑方式。摩擦副

14、零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；摩擦副零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；l 润滑系统设计润滑系统设计 润滑系统设计包括润滑剂选取，润滑剂润滑系统设计包括润滑剂选取，润滑剂循环装置、冷却装置和过滤装置等的设计；循环装置、冷却装置和过滤装置等的设计；l 摩擦副的状态监测及故障诊断装置设计摩擦副的状态监测及故障诊断装置设计 摩擦学系统需摩擦学系统需要监测的参数有：摩擦表面特性参数，摩擦副工作参数，要监测的参数有：摩擦表面特性参数，摩擦副工作参数，摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。南京航空航天大学 机电学院摩擦学失效摩擦学失效 摩擦过程摩擦过程是

15、发生在摩擦表面很薄的表面层材料中的各种是发生在摩擦表面很薄的表面层材料中的各种物理、化学过程的总和。物理、化学过程的总和。 摩擦学失效摩擦学失效的最主要特征之一是磨损。磨损改变了摩擦的最主要特征之一是磨损。磨损改变了摩擦 副的尺寸关系和摩擦表面和表层的几何与物理特性，而副的尺寸关系和摩擦表面和表层的几何与物理特性，而磨屑的产生改变了摩擦状况。磨屑的产生改变了摩擦状况。 对于利用摩擦的装置，摩擦力不足是其典型失效形式。对于利用摩擦的装置，摩擦力不足是其典型失效形式。 除此之外，摩擦还能导致振动、噪声、爬行、温度升高除此之外，摩擦还能导致振动、噪声、爬行、温度升高和变形等而使机械失效。和变形等而使

16、机械失效。 南京航空航天大学 机电学院摩擦学设计基础摩擦学设计基础一、摩擦状态一、摩擦状态按摩擦状态 ，即表面接触情况和油膜厚度，可将滑动摩擦分为四类干摩擦干摩擦最不利最不利 流体摩擦流体摩擦 ？塑 性 变 形弹 性 变 形液 体南京航空航天大学 机电学院 边界摩擦边界摩擦混合摩擦混合摩擦 二、摩擦力二、摩擦力、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质局部静摩擦力局部静摩擦力：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到极限值，即为静摩擦力极限值，

17、即为静摩擦力动摩擦力动摩擦力：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦力，一：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦力，一般动摩擦力小于静摩擦力。般动摩擦力小于静摩擦力。 边 界 膜南京航空航天大学 机电学院、固体滑动摩擦摩擦力的计算、固体滑动摩擦摩擦力的计算F=FN 是滑动摩擦因数；是滑动摩擦因数；FN是摩擦面上的法向载荷是摩擦面上的法向载荷 、液体摩擦的摩擦力、液体摩擦的摩擦力uz液体的粘滞切应力比例系数（粘度）流体的速度流体厚度方向的坐标、滚动摩擦的摩擦力、滚动摩擦的摩擦力滚动摩擦系数滚动摩擦力矩法向载荷r=M/FN AA、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的

18、吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。oxzdzdu分析位置z处薄层的受力 B南京航空航天大学 机电学院三、磨损及其控制三、磨损及其控制在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段：即在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段：即磨磨合、稳定磨损和剧烈磨损阶段合、稳定磨损和剧烈磨损阶段。 1 1、磨合、磨合 磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个工作时间内，它所占比率很小，也希望磨合时间尽可能短。工作时间内，它所占比率很小，也希望磨合时间尽可能短。影响磨合效果的主要因素有载荷、摩擦速度、

19、材料的物理力影响磨合效果的主要因素有载荷、摩擦速度、材料的物理力学性能和润滑剂。载荷对磨合效果和磨合时间具有很大影响。学性能和润滑剂。载荷对磨合效果和磨合时间具有很大影响。 南京航空航天大学 机电学院2 2、磨损的类型、磨损的类型l粘着磨损粘着磨损l磨粒磨损磨粒磨损l表面疲劳磨损表面疲劳磨损l腐蚀磨损腐蚀磨损 粘附磨损：粘附磨损：摩擦副两表面作相对运动时，由于粘附效应所形成的粘结摩擦副两表面作相对运动时，由于粘附效应所形成的粘结点被剪切开，材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面。点被剪切开，材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面。 磨粒磨损磨粒磨损 外界硬颗粒或摩擦表面上的硬突

20、起在摩擦过程中引起表外界硬颗粒或摩擦表面上的硬突起在摩擦过程中引起表层材料脱落的磨损层材料脱落的磨损 获得较高磨粒磨损寿命的条件是材料表面硬度最少为磨粒硬获得较高磨粒磨损寿命的条件是材料表面硬度最少为磨粒硬度的度的1.31.3倍倍 南京航空航天大学 机电学院表面疲劳磨损表面疲劳磨损 两个相互滚动或滚两个相互滚动或滚- -滑运动的摩擦副，在循环接触应滑运动的摩擦副，在循环接触应力的作用下，因疲劳而材料脱落，称为表面疲劳磨损或接触疲劳力的作用下，因疲劳而材料脱落，称为表面疲劳磨损或接触疲劳。接触应力 H m ax2212121()11FLEE两圆柱体两圆柱体2Hmax3221212116()11F

21、EE两球体两球体腐蚀磨损腐蚀磨损：摩擦过程中，同时存在金属与周围介质发生化学或电化学摩擦过程中，同时存在金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的材料损伤反应而产生的材料损伤设计耐腐蚀磨损的摩擦副时，材料是关键。设计耐腐蚀磨损的摩擦副时，材料是关键。 南京航空航天大学 机电学院四、润滑与润滑设计四、润滑与润滑设计 润滑的作用润滑的作用：降低摩擦副的摩擦、减少磨损，以及冷却、密封、降低摩擦副的摩擦、减少磨损，以及冷却、密封、防锈和减振等。防锈和减振等。按润滑剂形态润滑分：按润滑剂形态润滑分：无润滑无润滑：采用有自润滑性的材料制作，不再加入任何润滑剂的摩擦副采用有自润滑性的材料制作，不再加入任何润

22、滑剂的摩擦副 固体润滑：固体润滑：在摩擦副间形成固体润滑膜在摩擦副间形成固体润滑膜, ,抑制摩擦表面相互粘结抑制摩擦表面相互粘结, ,使使剪切发生在固体润滑膜内剪切发生在固体润滑膜内, ,以减少磨损以减少磨损 目前固体润滑尚无理论计算公式，通常都是根据实验限制摩擦副的载目前固体润滑尚无理论计算公式，通常都是根据实验限制摩擦副的载荷、速度和它们的乘积，即荷、速度和它们的乘积，即p pp p ， v vv v ， pvpvpvpv 流体润滑：流体润滑：在摩擦副间形成流体润滑膜的润滑在摩擦副间形成流体润滑膜的润滑 南京航空航天大学 机电学院五、润滑剂及其特性五、润滑剂及其特性凡能降低摩擦阻力、且人为

23、加入摩擦副的介质都称为润凡能降低摩擦阻力、且人为加入摩擦副的介质都称为润滑剂。滑剂。 1润滑剂的基本类型润滑剂的基本类型液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等 润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂 固体润滑剂：软金属，如固体润滑剂：软金属，如Pb、Au、Ag、Sn、In等；等；无机化合物无机化合物润滑油润滑油 粘度粘度 表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。润滑油粘度随温度升高而下降，

24、随压力升高而增大润滑油粘度随温度升高而下降，随压力升高而增大 南京航空航天大学 机电学院 粘度指数粘度指数 用粘度指数表征粘度随温度变化的特性，粘度用粘度指数表征粘度随温度变化的特性，粘度指数高表示油品的粘度随温度变化小。粘度指数小于指数高表示油品的粘度随温度变化小。粘度指数小于3535的的油为低粘度指数油，在油为低粘度指数油，在35358080之间的为中粘度指数油，在之间的为中粘度指数油，在8080110110之间的为高粘度指数油之间的为高粘度指数油 闪点与燃点闪点与燃点 是一个有关安全的性能指标，润滑油的工作是一个有关安全的性能指标，润滑油的工作温度必须比闪点低温度必须比闪点低202030

25、30才能确保安全才能确保安全 酸值酸值 润滑油在使用过程中会逐渐氧化，酸值增加。酸值润滑油在使用过程中会逐渐氧化，酸值增加。酸值以以mg KOH/gmg KOH/g表示，是润滑油老化的标志，当其达到规定表示，是润滑油老化的标志，当其达到规定值后，必须更换新润滑油值后，必须更换新润滑油 倾点倾点 是润滑油失去流动性时的温度，是润滑油工作温度是润滑油失去流动性时的温度，是润滑油工作温度的极限值的极限值 南京航空航天大学 机电学院六、润滑油、脂的润滑方式六、润滑油、脂的润滑方式1）手工润滑；2）滴油润滑；3）油绳、油垫，油杯润滑；4）喷雾润滑；5）油气润滑；7） 油环、油盘润滑；8）压力供油、喷油润

26、滑6）油浴、飞溅润滑；循环润滑系统循环润滑系统全损耗润滑系统全损耗润滑系统南京航空航天大学 机电学院机械零件常用的材料机械零件常用的材料2.4 零件制造常用材料及其选择零件制造常用材料及其选择1、金属材料金属材料有色金属有色金属钢钢铸铁铸铁成分：碳素钢、合金钢用途：结构钢、工具钢、特种钢南京航空航天大学 机电学院钢铁使用最广钢铁使用最广钢铁的特点：钢铁的特点： 具有较好的力学性能（强度、塑性、韧性）；具有较好的力学性能（强度、塑性、韧性）； 价格较便宜；价格较便宜； 容易获得；容易获得； 能满足多种性能和用途的要求。能满足多种性能和用途的要求。其中，合金钢的性能优良，用于制造重要的零件。其中，

27、合金钢的性能优良，用于制造重要的零件。南京航空航天大学 机电学院钢钢（c2c2的铁的铁碳合金）碳合金）碳素钢碳素钢（当（当c0.9c0.9，c c 强强度硬度度硬度）碳素结构钢碳素结构钢Q235AQ235A脱氧方法脱氧方法优质碳素结构钢优质碳素结构钢( (含有害杂质含有害杂质p,sp,s少少) )4545C=0.45C=0.4545Mn45Mn0.450.45MnMn较高较高碳碳 素素 铸铸 钢钢ZG230-ZG230-450450屈服点屈服点230Mpa230Mpa拉伸强度拉伸强度450Mpa450Mpa合金钢合金钢（铬、钼（铬、钼等）等）合合 金金 结结 构构 钢钢4040铬铬（数字（数字

28、+ +元元素素+ +数字）数字）C=0.40C=0.40Cr1.5Cr2c2的铁的铁碳合金）碳合金）灰灰 铸铸 铁铁片状片状HT200HT200拉伸强度拉伸强度200MPa200MPa可锻铸铁可锻铸铁团状团状KTKT球墨铸铁球墨铸铁球状球状QT600-3QT600-3伸长率伸长率南京航空航天大学 机电学院2、有色金属、有色金属b) 铝合金铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。分为变形铝合金和铸造铝合金。 重量轻、导热导电性较好、塑性重量轻、导热导电性较好、塑性 好、抗氧化性好，高强度铝合金好、抗氧化性好，高强度铝合金 强度可与碳素钢相近强度可与碳素钢相近a) 铜合金铜合金黄铜：黄铜：Cu与与Zn合

29、金合金 青铜：青铜：Cu与与Sn的合金的合金 无锡青铜：无锡青铜：Cu与铝、硅等的合金与铝、硅等的合金南京航空航天大学 机电学院2 2、高分子材料、高分子材料包括包括3 3类：塑料，橡胶，合成纤维。类：塑料，橡胶，合成纤维。优点：优点： 易获取；密度小；易获取；密度小； 弹性好；弹性好； 耐腐蚀性好。耐腐蚀性好。缺点：易老化；缺点：易老化； 阻燃性差；阻燃性差； 耐热性差。耐热性差。聚四氟乙烯由于其耐蚀性、化学稳定性强，低温下不易变聚四氟乙烯由于其耐蚀性、化学稳定性强，低温下不易变脆，在化工设备和冷冻设备中有广泛的应用。脆，在化工设备和冷冻设备中有广泛的应用。南京航空航天大学 机电学院3 3、

30、陶瓷材料、陶瓷材料特点：硬度极高、耐磨性、耐腐蚀、熔点高、刚度大、密特点：硬度极高、耐磨性、耐腐蚀、熔点高、刚度大、密度较低（相对于钢）。度较低（相对于钢）。缺点：较脆、断裂韧性低、价格昂贵、加工工艺性差。缺点：较脆、断裂韧性低、价格昂贵、加工工艺性差。用途：密封件、滚动轴承、切削刀具。用途：密封件、滚动轴承、切削刀具。南京航空航天大学 机电学院4 4、复合材料、复合材料 复合材料是两种或两种以上具有明显不同物理和力复合材料是两种或两种以上具有明显不同物理和力学性能的材料复合制成的，不同材料可分别作为材料的基体学性能的材料复合制成的，不同材料可分别作为材料的基体相和增强相。相和增强相。优点：高

31、强度；高弹性模量；质量小。优点：高强度；高弹性模量；质量小。缺点：耐热性、导电和导热性能差；价格昂贵缺点：耐热性、导电和导热性能差；价格昂贵用途：航空、航天等高科技领域，如战斗机、直升机、人造用途：航空、航天等高科技领域，如战斗机、直升机、人造卫星；民用领域的体育器材，如高尔夫球棒网球拍赛艇划船卫星；民用领域的体育器材，如高尔夫球棒网球拍赛艇划船桨等桨等南京航空航天大学 机电学院 选择合理的零件制造材料需要考虑多方面的因素，在选择合理的零件制造材料需要考虑多方面的因素，在以后的各有关章节中将会分别介绍各种零件适用的材料和以后的各有关章节中将会分别介绍各种零件适用的材料和牌号。牌号。机械零件材料

32、的选择原则 由于钢铁仍然是用量最大，用途最广的材料，所以对钢由于钢铁仍然是用量最大，用途最广的材料，所以对钢铁的一般选用原则作简介。铁的一般选用原则作简介。南京航空航天大学 机电学院1、载荷、应力的大小和性质、载荷、应力的大小和性质热处理：通过对钢进行加热或冷却，使钢的组织结构发生变化，以改善钢的性能。分为普通热处理、表面热处理。普通热处理包括退火与正火 ，淬火与回火。表面热处理包括表面淬火，表面化学热处理。金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，要充金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，要充分利用热处理来发挥材料的潜力。分利用热处理来发挥材料的潜力。脆性材料：制造在静载下工作的

33、零件；脆性材料：制造在静载下工作的零件；塑性材料：制造在冲击载合下工作的零件。塑性材料：制造在冲击载合下工作的零件。机械零件材料的选择原则南京航空航天大学 机电学院2、 零件的工作情况零件的工作情况零件的工作情况：零件所处的环境特点、工作温度、摩零件的工作情况：零件所处的环境特点、工作温度、摩 擦磨损的程度等。擦磨损的程度等。湿热环境对选材的影响：湿热环境对选材的影响：要求材料具有良好的防锈、耐腐蚀能力，例如选用不锈钢、铜要求材料具有良好的防锈、耐腐蚀能力，例如选用不锈钢、铜合金等。合金等。机械零件材料的选择原则南京航空航天大学 机电学院摩擦磨损对选材的影响：摩擦磨损对选材的影响：可能发生磨损

34、之处要提高表面硬度，应选用可进行表面处理的可能发生磨损之处要提高表面硬度，应选用可进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。淬火钢、渗碳钢、氮化钢。工作温度对选材的影响：工作温度对选材的影响：配合件的配合件的材料线膨胀系数不可差别过大材料线膨胀系数不可差别过大，以免在温度变化时产，以免在温度变化时产生的配合松动；要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。生的配合松动；要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。南京航空航天大学 机电学院3 3、零件的尺寸及质量、零件的尺寸及质量 零件的尺寸及质量与毛坯制取方法及材料的品种有关。零件的尺寸及质量与毛坯制取方法及材料的品种有关。材料品种的影响：材料品种的影响

35、：应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸及质量应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸及质量。（材料的强重比是指强度与单位体积材料所受的重力之比。（材料的强重比是指强度与单位体积材料所受的重力之比）毛坯制取方法的影响：毛坯制取方法的影响：用铸造材料不受尺寸及质量的限制；用铸造材料不受尺寸及质量的限制；用锻造材料需注意锻压机械及设备的生产能力。用锻造材料需注意锻压机械及设备的生产能力。机械零件材料的选择原则南京航空航天大学 机电学院4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性 结构复杂的零件：铸造毛坯，或板材冲压后焊接。结构复杂的零件：铸造毛坯，或

36、板材冲压后焊接。对材料工艺性的了解有助于判断材料的加工可能性，材料的对材料工艺性的了解有助于判断材料的加工可能性，材料的工艺性一般包括以下几方面：工艺性一般包括以下几方面：材料的材料的铸造工艺性铸造工艺性：材料的液态流动性、收缩率、偏：材料的液态流动性、收缩率、偏 析程度及产生缩孔的倾向性。析程度及产生缩孔的倾向性。材料的材料的锻造工艺性锻造工艺性：材料的延展性、热脆性及冷态和：材料的延展性、热脆性及冷态和 热态下塑性变形能力。热态下塑性变形能力。材料的材料的焊接工艺性焊接工艺性：材料的焊接性及焊缝产生裂纹的：材料的焊接性及焊缝产生裂纹的 倾向性。倾向性。机械零件材料的选择原则南京航空航天大学

37、 机电学院材料的材料的热处理工艺性热处理工艺性：材料的可淬性、淬火变形倾向：材料的可淬性、淬火变形倾向 性及热处理介质对它的渗透能性及热处理介质对它的渗透能 力。力。材料的材料的冷加工工艺性冷加工工艺性：材料的硬度、易切削性、冷作：材料的硬度、易切削性、冷作 硬化程度及切削后可能达到的硬化程度及切削后可能达到的 表面粗糙度。表面粗糙度。南京航空航天大学 机电学院5、材料的经济性、材料的经济性（1）材料本身的相对价格。当用廉价材料就能满足材料时）材料本身的相对价格。当用廉价材料就能满足材料时，就不应该选择价格高的材料，这大批量生产的零件尤为，就不应该选择价格高的材料，这大批量生产的零件尤为重要。

38、重要。（2）材料的加工费用。例如制造箱体零件，虽然铸铁比钢）材料的加工费用。例如制造箱体零件，虽然铸铁比钢铁廉价，但是对于小批量生产应该采用钢板焊接，因为铸铁廉价，但是对于小批量生产应该采用钢板焊接，因为铸模的生产费用较高。模的生产费用较高。（3）材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯（如精）材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯（如精铸、模锻、冷拉毛坯等），可提高材料的利用率，在设计铸、模锻、冷拉毛坯等），可提高材料的利用率，在设计时也可设法提高材料的利用率。时也可设法提高材料的利用率。机械零件材料的选择原则南京航空航天大学 机电学院（4）采用组合结构。）采用组合结构。例如，火车车轮是在

39、一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高例如，火车车轮是在一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高，耐磨损的轮箍，只需定期更换轮箍即可。，耐磨损的轮箍，只需定期更换轮箍即可。（5）节约稀有材料。）节约稀有材料。例如，用铝青铜替代锡青铜制造轴瓦。例如，用铝青铜替代锡青铜制造轴瓦。（6）材料的供应状况。）材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批量制造的零件，为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批量制造的零件，应尽可能减少同一部机器上使用的材料品种和规格。应尽可能减少同一部机器上使用的材料品种和规格。南京航空航天大学 机电学院2.5 机械设计中的标准化和互换性机械设计中的标准化和互换性 零件的标准

40、化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种大料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种大家共同遵守的标准。家共同遵守的标准。（1）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，提高质量，降低成本；零件进行大量的、集中的制造，提高质量，降低成本；标准化带来的优越性表现为：标准化带来的优越性表现为：（2）统一了零件和材料的性能指标，使其能够进行比较，）统一了零件和材料的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性；

41、并提高了零件性能的可靠性；南京航空航天大学 机电学院（3）采用标准结构及零部件，可以简化设计工作，缩短设）采用标准结构及零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量，同时简化了机器的维修工作。计周期，提高设计质量，同时简化了机器的维修工作。 现已颁布的与机械零件设计有关的标准，从运用的范现已颁布的与机械零件设计有关的标准，从运用的范围上分类，分为国家标准（围上分类，分为国家标准（GB）、行业标准和企业标准（）、行业标准和企业标准（QB）3个等级，从使用的强制性来分，分为必须执行的和个等级，从使用的强制性来分，分为必须执行的和推荐使用的标准。推荐使用的标准。南京航空航天大学 机电学院 同

42、一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和同一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的特性叫修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的特性叫做做互换性互换性。日常生活中的例子：日常生活中的例子： 自行车上的螺母掉了，找一个相同规格的配上去就行自行车上的螺母掉了，找一个相同规格的配上去就行了；汽车、手表中的某一个零件坏了，换个新的，它照样了；汽车、手表中的某一个零件坏了，换个新的，它照样工作。工作。南京航空航天大学 机电学院2.6 机械设计中的工艺性机械设计中的工艺性 符合工艺性的判断标准：零件的结构既能满足使用的要求，又能在具体的生产条件下制造和装配时所耗费的时间、劳动力及费用最少。1 1、选择合理的毛坯种类。、选择合理的毛坯种类。 零件的毛坯种类有：铸件、焊接件、锻件、轧制型材、零件的毛坯种类有：铸件、焊接件、锻件、轧制型材、冲压件等。选择毛坯要考虑到零件的尺寸和形状以及生产冲压件等。选择