机械零件的常用材料和结构工艺性

2022/12/181第一章机械零件的常用材料和结构工艺性§1-1机械零件的常用材料及选用§1-2机械零件的结构工艺性§1-3机械设计中的标准化2022/12/182§1-1机械零件的常用材料及选用一、机械零件常用材料

复合材料黑色金属（钢、铸铁等）有色金属（如铜、铝及其合金等）非金属材料金属材料如工程塑料、橡胶、玻璃等如纤维增强塑料、金属陶瓷等2022/12/183铁碳合金（C<2%）结构钢（机械零件、工程结构等）工具钢（刀具、量具、模具等）特殊钢（不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）1、钢用途碳素钢（非合金钢）低合金钢合金钢化学成分2022/12/184表1-1普通碳素结构钢牌号力学性能（不小于）用途抗拉强度σb/MPa屈服点σs/MPa伸长率δ/%Q195315~43019533冲压件、焊接件及受载小的机械零件，如垫圈,开口销、地脚螺栓等Q215Q235335~450375~5002152353126焊接件、金属结构件及螺栓、螺母、铆钉、销轴、连杆、支座等受载不大的机械零件Q255Q275410~550490~6302552752420金属结构件及螺栓、螺母、垫圈、楔、转轴、心轴、链轮、吊钩、连杆等受力较大的机械零件1）普通碳素结构钢牌号含义：Q235，Q235-A（B、C、D）2022/12/1852）优质碳素结构钢表1-2优质碳素结构钢牌号力学性能（不小于）用途抗拉强度σb/MPa屈服点σs/MPa伸长率δ/%10203354102052453125冷冲压件、连接件及渗碳零件，如心轴、套筒、螺栓、螺母、吊钩、摩擦片、离合器盘等30454906002953552116调制零件，如齿轮、套筒、连杆、轴类零件及连接件等6070675715400420129弹簧、弹性垫圈、凸轮及易磨损零件牌号含义：45钢（平均含碳量为万分之45)C≤0.25%低碳钢，强度、硬度低，塑性、焊接性能好0.25%<C<0.6%中碳钢，综合性能好，应用最广C≥0.6%高碳钢，弹性或易磨损元件2022/12/1863）合金结构钢表1-3合金结构钢牌号力学性能（不小于）用途抗拉强度σb

/MPa屈服点σs/MPa伸长率δ/%20Cr83554010用于要求心部强度高，承受磨损，尺寸较大的渗碳零件20Mn278559010可代替20Cr钢制造齿轮、轴等渗碳零件40Cr9807859用于较重要的调质零件，如连杆、重要齿轮、曲轴等35SiMn88573515可代替40Cr钢制造齿轮、轴类零件65Mn9807858截面小于20mm的冷卷弹簧50CrVA1275113010大截面高强度弹簧牌号含义：如45Mn2，40Cr，50CrVA当合金元素的平均含量低于1.5%仅用元素符号表示2022/12/187牌号力学性能（不小于）用途抗拉强度σb/MPa屈服点σs/MPa伸长率δ/%ZG230-45045023022机座、机盖、箱体等。焊接性良好ZG270-50050027018飞轮、机架、蒸汽锤、联轴器、水压机工作缸，焊接性尚好ZG310-57057031015联轴器、气缸、齿轮、重载荷机架ZG340-64064034010起重运输机中的齿轮、联轴器等重要机件4）铸钢表1-4一般工程用铸造碳钢可用铸造方法来获得毛坯，适用于尺寸较大、形状复杂、要求较高的零件。牌号含义：ZG230-4502022/12/188

2、铸铁铁碳合金（C>2%）

铸铁性脆，不适合于锻压和焊接，但熔点低，流动性好，可铸造形状复杂的大小铸件。主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。牌号力学性能用途抗拉强度σb/MPa抗压强度σs/MPaHT200200750气缸、齿轮、机床、飞轮、齿条、衬筒、一般机床铸有导轨的床身、液压筒、泵的壳体等.HT2502501000阀壳、油缸、气缸、联轴器、机体、齿轮、齿轮箱外壳、飞轮、凸轮、轴承座等.HT3003001100齿轮、凸轮、车床卡盘、压力机的床身、导板、增压液压筒、泵的壳体等.牌号含义：HT150（抗拉强度平均值）表1-5灰铸铁2022/12/189铜及铜合金

黄铜：Cu与Zn（≥15%）合金

青铜锡青铜：Cu与Sn的合金

无锡青铜：Cu与Al、Si、Pb等的合金

2)铝及铝合金

形变铝合金：防锈铝、锻铝等

铸造铝合金（应用最广的轻金属）

3、有色金属铜的力学性能很低，在机械工业中的应用并不多。2022/12/18101）铜及铜合金表1-6铜合金牌号力学性能材料状态用途抗拉强度σb/MPa伸长率δ/%ZCuSn10P1(10-1锡青铜)22031032砂模金属模受冲击载荷的耐磨件，如齿轮、涡轮、轴瓦、衬套、丝杆螺母等ZCuAl10Fe3(10-3铝青铜)4905401012砂模金属模重要的轴承、轴套、轮缘及大型铸件等H62(62黄铜)37049棒材螺母、垫圈、铆钉、弹簧等导电性、导热性、减摩耐磨性、耐腐蚀性良好2022/12/7112）铝及铝合合金表1-7铝合金牌号力学性能材料状态（棒材）用途抗拉强度σb/MPa伸长率δ/%2Al1(LY11，硬铝)42015砂模金属模中等强度零件及焊接件，如螺栓、铆钉、接头、骨架等7A04(LC4，超硬铝)60012砂模金属模高强度零件、大梁、框架等ZAlSi7Mg(ZL101铸铝硅合金)2221棒材中等强度、形状复杂的零件，如支架、客体、发动机附件等铝及铝合金金是应用最广的轻金金属，纯铝有良良好的塑性性、耐蚀性性、导电性性、导热性性和焊接性性。2022/12/7124、工程塑料料在工程中用用来作结构或传动动件材料的的塑料，具有较高高的强度，，质量轻，，绝缘性、、减摩耐磨磨性、耐蚀蚀性、耐热热性好。牌号力学性能用途抗拉强度σb/MPa伸长率δ/%尼龙6646~81.360~200适用于中等载荷、温度≤100~120℃、无润滑或少润滑条件下工作的耐磨受力传动零件.聚四氟乙烯(PTEE，F-4)13.7~24.5250~350主要用作耐化学腐蚀、耐高温的密封元件，也用作输送腐蚀介质的高温管道、耐腐蚀衬里、容器以及轴承、导轨、无油润滑活塞环、密封圈等.酚醛塑料(PF)24.5常用的为层压酚醛塑料和粉末状压制塑料，有板材、管材及帮料等。可用作轴承、轴瓦、带轮、齿轮、制动装置和离合装置的零件、摩擦轮及电器绝缘零件等.表1-8工程塑料2022/12/713二、钢的热热处理简介介1、热处理定义：将钢在固态下进行不同温温度的加热、保温温和冷却的工艺方法法。目的的：：促使使钢钢内内部部组组织织机机构构发发生生变变化化，，从从而而提高高零零件件的的力力学学性性能能和改善善工工艺艺性性能能。热热处处理理能能充充分分发发挥挥材材料料的的潜潜力力，，节节省省钢钢材材，，延延长长机机械械的的使使用用寿寿命命。。2022/12/714时间温度加热保温临界温度淬火回火调质退火正火加热保温临界温度调质正火加热保温临界温度正火回火临界温度正火退火火正火火淬火火回火火调质质化学学热热处处理理2、常常用用的的热热处处理理方方法法2022/12/715将钢钢加加热热到到一一定定温温度度，，保保温温一一段段时时间间，，然然后后随炉炉冷冷却却。1.消除除内内应应力力，，降降低低硬硬度度，，便便于于切切削削；；2.提高高塑塑性性和和韧韧性性；；3.改善善组组织织为为进进一一步步热热处处理理作作准准备备。。退火火：：2022/12/716正火：1.消除内应力力（不如退退火彻底）），钢的强度、、硬度较退退火高；2.不占用设备备，生产率率较高。将钢加热到到一定温度度，保温一一段时间，，然后在空气中冷却。2022/12/717将钢加热到到一定温度度，保温一一段时间，，然后在水或油中快速冷却却。1.钢的硬度急急剧增加，，但存在很很大的内应应力，脆性增加；；2.为了减少内内应力、降降低脆性和和获得良好好的机械性能，淬火后一般般均需回火火。淬火：2022/12/718将淬火钢重新加热到到某一低于临界温度，，保温一段段时间，然然后冷却。。回火：150～250℃作用：减少少内应力、、降低脆性性；同时保保存淬火钢钢的高硬度度和耐磨性性。应用：刀具具，量具350～500℃作用：弹性性↑，硬度度↓应用：有弹弹性要求的的零件，如如：弹簧500～650℃作用：强度度、硬度、、塑性和韧韧性等都较较好应用：重要要的机械零零件，如：：齿轮，轴轴等。高温回火中温回火低温回火2022/12/719调质可以提提高和改善善材料的综合力学性性能。一些重要要的零件，，特别是一一些在变应应力作用下下的零件，，如连杆、、齿轮、轴轴等常采用用调质处理理。调质即淬火和高温温回火的综合热处处理工艺。。调质：2022/12/720表面淬火火将机械零零件表面面迅速加加热到淬淬火温度度，热量量未传至至中心，，即快速速冷却的的热处理理方法。。2022/12/721将机械械零件件放在在含有有某种种化学学元素素的介介质中中加热热和保保温，，使该该元素素的活性原原子渗渗入到零件件表面面的热热处理理方法法。化学热热处理理作用：表面面硬而而耐磨磨，芯芯部仍仍保持持原有有韧性性。渗碳渗氮（（氮化化）碳氮共共渗（（氰化化）2022/12/722渗碳（carburizing/carburization）渗碳是是指使使碳原子子渗入入到钢钢表面面层的过程程。也也是使使低碳碳钢的的工件件具有有高碳碳钢的的表面面层，，再经经过淬淬火和和低温温回火火，使使工件件的表表面层层具有有高硬度度和耐耐磨性性，而工工件的的中心心部分分仍然然保持持着低低碳钢钢的韧韧性和和塑性性。渗碳工工艺广广泛用用于飞飞机﹑汽车和和拖拉拉机等等的机机械零零件﹐如齿轮轮﹑轴﹑凸轮轴轴等。。2022/12/723渗氮（nitriding）又称氮化，是指指向钢钢的表表面层层渗入入氮原原子的的过程程。其其目的的是提提高表表面层层的硬硬度与与耐磨磨性以以及提提高疲疲劳强强度、、抗腐腐蚀性性等。。与渗碳碳工艺艺相比比，渗氮温温度比比较低低，因而而畸变变小，，但由由于心心部硬硬度较较低，，渗层层也较较浅，，一般般只能能满足足承受受轻、、中等等载荷荷的耐耐磨、、耐疲疲劳要要求，，或有有一定定耐热热、耐耐腐蚀蚀要求求的机机器零零件，，以及及各种种切削削刀具具、冷冷作和和热作作模具具等。。2022/12/724碳氮共渗渗（氰化化）碳氮共渗渗后淬火火加低温温回火。。氮碳共渗渗后得到到的化合合物层韧性好，，硬度高高，耐磨磨，耐蚀蚀，抗咬咬合。氰化常用用于低碳碳钢和中中碳钢。。2022/12/725在机机械械设设计计中中，，零零件件材材料料的的选选用用是是否否合合理理，，将将直接接影影响响到到机机械械的的使使用用性能能、工作作可可靠靠性性和经济济性性。在选选用用材材料料时时，，应应注注意意：：1.使用用方方面面的的要要求求1）零零件件所所受受载载荷荷的的大大小小和和性性质质，，以以及及应应力力状状态态；；2）零零件件的的工工作作条条件件；；3）零零件件尺尺寸寸、、重重量量有有无无限限制制；；4）零零件件的的重重要要程程度度；；5）其其他他特特殊殊要要求求，，如如导导电电性性、、抗抗磁磁性性等等。。三、、选选用用材材料料的的基基本本原原则则2022/12/7262.工艺性方面面的要求所选的材料料要保证零零件便于制造，即应与零零件的结构和复杂程度度、尺寸大大小和毛坯坯的制造方方法相适应。例：焊接毛毛坯（焊接接性能好））、冲压或或模锻（塑塑性较好））3.经济方面的的要求所选材料应应保证零件件最经济地制造出来，，不仅要考虑原原材料价格格的高低，，还要考虑虑零件制造造成本的高低。。2022/12/727总之，在选选用材料时时，要综合考虑虑各相关因因素，并分清主主次，以满满足主要要要求，协调调次要要求求;参照已成功功使用着的的同类机器器中各零件件材料的应应用情况。2022/12/728§1-2机械零件的的结构工艺艺性能以最低的的成本和最最少的劳动动量将零件件制造出来来，并便于于装配、维维修和更换换。良好的工艺艺性机械零件的的结构工艺艺性零件所具有有的结构是是否便于制制造、装配和拆卸卸等。2022/12/729一、便于零零件毛坯的制造（表表1-9，p13）铸造1.铸件上壁厚厚不宜过薄薄或过厚，，各部分壁厚应均匀匀。2.两个面的交交界处应作作出圆角，在壁厚相相差超过一一倍作出过渡斜度。3.在拔模方向向上设有铸造斜度，铸件上避免内凹形状。2022/12/730锻造（自由由锻）1.锻件毛坯外外形简单，，一般不允许有强肋肋。2.外形平直、、对称，避免锥形、、楔形。3.不允允许许在在交交叉叉件件内内设设凸凸台台。。2022/12/731冲压压1.轮廓廓设设倒倒圆圆，，提提高高模模具具寿寿命命。。2.弯曲曲件件最最好好形形状状对对称称，，否否则则影影响响成成形形。。3.各部部分分尺尺寸寸合合比比例例，，否否则则难难以以成成形形。。2022/12/732焊接接1.考虑虑焊焊接接时时操操作作方方便便。。2.避免免焊焊缝缝过过分分集集中中，，以以减减小小变变形形和和防防止止裂裂纹纹。。3.焊缝缝避避免免设设在在应应力力集集中中的的地地方方。。2022/12/733二、、便便于于零零件件的的机械械加加工工（表表1-10，p15）1.被加加工工面面的的尺尺寸寸和和数数量量尽尽可可能能减减少少。。2.加工工面面力力求求布布置置在在同同一一平平面面，，加加工工面面和和不不加加工工面面明明显显分分开开。。3.尽量量统统一一同同一一零零件件上上的的切切槽槽、、圆圆角角、、键键槽槽等等。。2022/12/734退刀刀槽槽、、越越程程槽槽盲孔孔加加工工与与设设计计斜面面钻钻孔孔加加工工与与设设计计斜面面钻钻孔孔加加工工与与设设计计2022/12/735三、便便于零零件的的装卸卸和可可靠定定位（（表1-11，p17）1.要有足足够的的安装装空间间2.定位销销空尽尽可能能钻穿穿，便便于取取出与与铁屑屑的排排出2022/12/7363.合理设设计定定位面面4.定位面面不宜宜过多多2022/12/737§1-3机械设设计中中的标标准化化定义：：标准化化就是要要通过过对零零件的的尺寸寸、结结构要要素、、材料料性能能、设设计方方法、、制图图要求求等，，制定定出大大家共同遵遵守的的标准准。1)产品品品种规规格的的系列列化将同一一类产产品的的主要要参数数、型型式、、尺寸寸、基基本结结构等等依次次分档档，制制成系系列化化产品品，