机械设计基础 材料

工业设计机械基础§1机械零件常用材料§2钢的热处理简介§3选择材料的基本原则第二章机械零件常用材料§1机械零件常用材料非金属材料如工程塑料、橡胶、玻璃、纤维等有色金属金属材料黑色金属（钢、铸铁）重金属：>4.5g/cm3,如铜等轻金属：如铝、钛、镁等贵金属：如金、银、铂等稀有金属：如铀、钨、钼复合材料金属基复合材料非金属基复合材料一、金属材料钢铁碳合金（C<2%）；强度高，韧性好；易加工。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）用途碳素钢低合金钢合金钢化学成分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牌号：尺寸<16mm时材料的屈服值，Qxxx普通碳素结构钢主要控制力学性能，化学成分控制较松。表1-1普通碳素结构钢2.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：钢的平均含碳量的万分之几，如：45钢，C≈0.45%低碳钢：C≤0.25%，强度、硬度低，塑性、焊接性好。中碳钢：C=0.25%~0.6%，综合性能好，应用最广。高碳钢：C≥0.6%，强度、硬度高，用作弹性或耐磨元件。3.合金结构钢（合金钢）合金钢：在碳素钢中添加合金元素，以改善力学性能、工艺性能及物理性能等。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：20Mn2，含碳约0.20%，Mn（锰）约2%；A——高级优质钢4.铸钢表1-4一般工程用铸造碳钢牌号力学性能（不小于）用途抗拉强度σb/MPa屈服点σs/MPa伸长率δ/%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、联轴器等重要机件铸钢：用铸造方法获得钢材毛坯，用于尺寸大、形状复杂零件牌号：“ZG”+屈服强度+“-”+抗拉强度铸铁铸铁：铁碳合金（C>2%），灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。表1-5灰铸铁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、泵的壳体等铸铁：脆性大，抗拉能力差，不适合锻压和焊接，常用于铸造形状复杂的零件。有色金属1.铜及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、弹簧等表1-6铜合金

黄铜：Cu与Zn合金；青铜：Cu与Sn的合金；无锡青铜：Cu与铅、铝等的合金。

导电性、导热性、减摩耐磨性、耐腐蚀性良好。纯铝，密度低，物理性能优良，但强度、硬度低。应用最广的轻金属，分为形变铝合金和铸造铝合金。重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。2.铝及铝合金表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、发动机附件等二、非金属材料机械中采用的非金属材料有工程塑料、橡胶、涂料等。表1-8工程塑料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概念：将钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，然后采用不同的冷却速度，以改变钢的组织结构，从而得到所需性能的工艺方法。目的：热处理能充分发挥材料的潜力，节省钢材，延长机械的使用寿命。§2钢的热处理简介一、热处理退火正火淬火回火调质化学热处理时间温度加热保温临界温度淬火回火调质退火正火二、常用热处理方法

将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却。1)消除内应力，降低硬度，便于切削；2)提高塑性和韧性；3)改善组织为进一步热处理作准备。1.退火2.正火1)消除内应力(不如退火彻底)，钢的强度、硬度较退火高；2)不占用设备，生产率较高。将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。

将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却。1)钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性增加；2)为了减少内应力、降低脆性和获得良好的机械性能，淬火后一般均需回火。3.淬火

将淬火钢重新加热到某一低于临界温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。4.回火150～250℃作用：减少内应力、降低脆性；同时保存淬火钢的高硬度和耐磨性。应用：刀具，量具350～500℃作用：弹性↑，硬度↓应用：有弹性要求的零件，如：弹簧500～650℃作用：强度、硬度、塑性和韧性等都较好应用：重要的机械零件，如：齿轮，轴等。高温回火中温回火低温回火调质即淬火和高温回火的综合热处理工艺。5.调质

调质可以提高材料的综合力学性能，一些重要的受载零件，常采用调整处理，如齿轮、轴等。6.表面淬火

将机械零件表面迅速加热到淬火温度，热量未传至中心，即快速冷却的热处理方法。

将机械零件放在含有某种化学元素的介质中加热和保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。7.化学热处理作用：表面硬而耐磨，芯部仍保持原有韧性。

渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗（氰化）§3选用材料的基本原则一、使用