教学材料《机械设计》-第一章

第一节总论一、机构、机器与机械的概念（一）机器与机构为了满足生活和生产的需要，人们普遍使用着各样的机器，人们熟知的如汽车、火车、飞机、轮船、自行车、洗衣机、发电机和各种机床等都是机器。机器的种类繁多，其结构、性能和用途也各不相同，但在机器的组成、运动和功能关系上都具有一些共同的特征。下面来分析两种机器实例。下一页返回第一节总论如图1-1所示的单缸内燃机，它是由活塞1、连杆2、曲轴3、气缸体（机架）4、齿轮5和6、凸轮7、推杆8、排、进气阀9和10等组成。它可把燃料燃烧产生的热能转化为机械能。具体工作原理如下：燃气通过进气阀被下行的活塞１吸入气缸，然后进气阀关闭，活塞上行压缩燃气，点火使燃气在气缸中燃烧，燃烧的气体膨胀产生压力，推动活塞下行，通过连杆带动曲轴转动，向外输出机械能。当活塞再次上行时，排气阀打开，废气通过排气阀排出。这种内燃机可视为下列三部分的组合：主体部分（由活塞、连杆、曲柄和机架构成），其作用是将活塞的往复移动转化为曲柄的连续转动；控制部分（由凸轮、推杆和机架构成），其作用是将凸轮的连续转动转变为推杆的往复移动；传动部分（由齿轮和机架构成），其作用是改变转速的大小和方向。上一页下一页返回第一节总论又如图1-2所示的颚式碎矿机。它主要是由机架1、动颚板2、杆件3、4、5和曲轴６等组成。当电动机（图中未示出）驱动曲轴绕轴心犃连续转动时，动颚板绕轴心犉作往复摆动，从而将矿石轧碎。从以上两个实例可以看出，尽管这些机器结构、性能和用途不同，但却具有以下共同特征：①都是一种人为的实物组合体；②各实体间具有确定的相对运动；③能做有用的机械功或进行功能转换。凡具备上述三个特征的实物组合体称为机器，也可以说机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息等。上一页下一页返回第一节总论具有前两个特征的实物组合体称为机构，可见，机构是具有确定相对运动的实物组合体，它的作用是传递运动和力，它能实现各种预期的机械运动。机构中接受外部给定运动规律的活动构件称为主动件，随主动件的运动而运动的活动构件称为从动件，支承活动构件的构件称为固定件（机架）。从组成上看，机构是机器的主要组成部分，一台机器可由一个机构组成，也可由多个机构组成。图1-1所示的内燃机中，就包括连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等多个机构。从功能上看，机器能做有用的机械功或完成能量形式的转换，图1-2所示的颚式碎矿机工作时即是将电能转化为机械能，而机构主要用于传递和转换运动。若单从运动观点来看，机器与机构并无本质区别，因此，我们常把机器与机构统称为机械。上一页下一页返回第一节总论机械一般由以下几个部分组成：原动机、传动部分和工作机。原动机是机械的动力来源，它主要为工作机提供运动和动力。常用的原动机有电动机、内燃机和液压机等。传动部分处于原动机和工作机之间，其作用是将原动机的运动和动力传给工作机。工作机是执行工作任务的部分，处于整个传动路线的终端。随着微电子技术、计算机技术和自动检测技术等的发展，现代机械又增加了控制部分和检测部分，使机械的结构、功能达到了更高的水平。上一页下一页返回第一节总论（二）零件、构件和部件从制造角度看，机器是由若干个零件装配而成的，零件是构成机器的基本要素，是机器中不可拆卸的制造单元。从运动角度看，机器是由若干个运动的单元所组成，这种运动单元称为构件。构件可以是一个单独的零件，如图1-1中的齿轮，也可以是若干个零件刚性连接而成的，如内燃机中的连杆，如图1-3，就是由连杆体1、轴套2、连杆盖3、轴瓦4、螺杆5和螺母6等零件刚性连接而成的。零件按其是否具有通用性可以分为两大类：一类是通用零件，它的应用很广泛，几乎在任何一部机器中都能找到它，例如齿轮、轴、螺母、销钉、键等；另一类是专用零件，它仅用于某些机器中，常可表征该机器的特点，例如内燃机中的活塞（见图1-1）、起重机的吊钩等。上一页下一页返回第一节总论工程中也常将一组协同工作的零件分别装配或制造成一个个相对独立的组合体，然后再装配成整机，这种组合体常称之为部件（或组件），例如汽车的发动机、变速器及后桥等，车床的主轴箱、尾座、进给箱以及自行车的脚蹬子等部件。将机器看成是由零部件组成的，不仅有利于装配，也有利于机器的设计、运输、安装和维修等。上一页下一页返回第一节总论二、本课程的性质、内容和任务本课程是一门理论性和实践性都很强的专业技术基础课，是后续专业课程学习或解决工程实际问题的必备基础，是机械类和近机类专业的主干基础课程。本课程的研究对象为工程机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零部件。主要研究其工作原理、种类、结构特点、基本设计理论、设计计算方法和选用及维护等方法；通过对本课程的学习，初步具备一般机构和零部件的分析和设计问题。上一页下一页返回第一节总论本课程的主要任务是：（１）培养学生树立正确的设计思想和机械设计能力，尤其是创新设计能力。（２）培养学生掌握机械设计的一般规律和常用机构及通用零部件设计原理、方法，要求学生具有与本课程有关的解题、运算、绘图、执行国家标准、收集和使用技术信息与资料的技能。（３）培养学生熟悉常用机构及通用零部件的工作原理、特点、应用、结构和标准等。要求学生初步具有测绘、装拆、调整、检测一般机械装置的技能，并具有正确使用和维护机械传动装置的能力。（４）培养学生掌握典型机械零件实验方法的技能。（５）了解机械设计的最新发展状况及现代设计方法在机械设计中的应用。上一页下一页返回第一节总论三、机械设计的基本要求、原则和一般程序（一）机械设计的基本要求机械设计是人们从生产和生活的实际需要出发，运用设计理论、方法和技能，经过构思、计算、绘图等过程，创造新机械的活动。机械设计可以是开发新产品，也可以是改造现有的机械。机械产品的设计阶段是决定其各项性能指标高低优劣的关键。机械产品的结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维修性及人机环境等，原则上都是设计阶段确定的。尽管机械产品的类型很多，但其设计应满足的基本要求大致相同，主要有以下几个方面：上一页下一页返回第一节总论（１）使用要求。使用要求是对机械产品的首要要求，是指机械产品必须满足用户对所需要的功能的要求，这是机械设计最根本的出发点。（２）可靠性和安全性要求。机械产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，应具有完成规定功能的能力。安全可靠是机械产品的必备条件。（３）经济性和社会性要求。经济性要求是指所设计的机械产品在设计、制造方面周期短、成本低；在使用方面效率高、能耗少、生产率高、维护与管理的费用少等。应该指出，在机械中采用标准零件，不仅可以优化设计，保证互换性，便于机械的修配，而且有利于保证零件的质量并降低其成本。此外，机械产品应操作方便、安全，具有宜人的外形和色彩，符合国家环境保护和劳动法规的要求。上一页下一页返回第一节总论（４）其他特殊要求。有些机械产品由于工作环境和要求不同，对设计提出了某些特殊要求。例如对航空飞行器有质量小、飞行阻力小和运载能力大的要求；对流动使用的机械（如塔式起重机、钻探机等）要求便于安装、拆卸和运输；对机床有长期保持精度的要求；对食品、印刷、纺织、造纸机械等则要求保持清洁，不得污染产品的要求等。（二）机械设计应遵循的基本原则为了满足上述要求，机械设计应注意遵循以下基本原则。上一页下一页返回第一节总论（１）以市场需求为导向的原则。机械设计作为一种生产活动，与市场是紧密联系在一起的。从确定设计任务、使用要求、技术指标、设计与制造工期到拿出总体方案、进行可行性论证、综合效用分析（尤其是实际使用效果的综合分析）、盈亏分析直至具体设计、试制、鉴定、产品投放市场后的信息反馈等都是紧紧围绕市场需求来运作的。设计人员要时时刻刻想着如何设计才能使产品更具竞争力，能够占领市场、受到用户青睐。（２）创造性原则。创造是人类的本质。人类如果不发挥自己的创造性，生产就不能发展，科技就不会进步，也不会有人类的今天。设计只有作为一种创造性活动才具有强大的生命力。因循守旧，不敢创新，只能永远落在别人后面。特别是在当今世界科技飞速发展的情况下，在机械设计中贯彻创造性原则尤为重要。上一页下一页返回第一节总论（３）标准化、系列化、通用化原则。标准化、系列化、通用化简称为机械产品的“三化”。“三化”是我国现行的一项很重要的技术政策，在机械设计中要认真贯彻执行。标准化就是对产品（特别是零部件）的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法和制图要求等方面的技术指标制定出各种大家共同遵守的标准。实行标准化，能以最先进的技术在专门化工厂中对应用面极广、数量巨大的已标准化的零件（称为标准件）进行大量的、集中的制造，以提高质量、降低成本；采用标准结构和标准件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量；此外，实行标准化还统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性。上一页下一页返回第一节总论现已发布的与机械零部件设计有关的标准，从使用范围上来讲，分为国家标准（GB）、行业标准（如机械行业标准JB）和企业标准三个等级。国家标准分为强制性国家标准，其代号为GB

××××（为标准序号）—××××（为批准年代）；推荐性国家标准，其代号为GB/T

××××—××××。强制性国家标准只占整个国家标准中的极少数，但必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准占到整个国家标准中的绝大多数，如无特殊理由和需要，也应当遵守这些标准，以期获得良好的效果。目前，我国的某些标准正在迅速向国际标准化组织标准（ISO）靠拢。为了组织生产，常将一种产品的主要参数系列化，称为产品系列化。不同的产品中，可以有些零部件是相同的，这称为零部件的通用化。上一页下一页返回第一节总论贯彻“三化”的好处主要是：减轻了设计工作量，有利于提高设计质量并缩短生产周期；减少了刀具和量具的规格，便于设计与制造，从而降低其成本；便于组织标准件的规模化、专门化生产，易于保证产品质量、节约材料、降低成本；提高了互换性，便于维修；便于国家的宏观管理与调控以及内、外贸易；便于评价产品质量，解决经济纠纷等。（４）整体优化原则。机械设计要贯彻“系统论”和优化的思想。性能最好的机器其内部零件不一定是最好的；性能最好的机器也不一定是效益最好的机器；只要是有利于整体优化，机械部件也可以考虑用电子或其它元器件代替。总之，设计人员要将设计方案放在大系统中去考察，寻求最优，要从经济、技术、社会效益等各个方面去分析、计算，权衡利弊，尽量使设计效果达到最佳。上一页下一页返回第一节总论（５）联系实际原则。所有的设计都不要脱离实际。设计人员要考虑当前的原材料供应情况、企业的生产条件、用户的使用条件和要求等。（６）人机工程原则。机器是为人服务的，但也是需要人去操作使用的。如何使机器适应人的操作要求，人机合一后，投入产出比最高，整体效果最好，这是摆在设计人员面前的一个课题。好的设计一定要符合人机工程学原理。上一页下一页返回第一节总论（三）机械设计的一般过程机械产品的设计类型大致分为开发性设计（应用新原理、新技术对产品进行全新的设计）、适应性设计（根据生产技术的发展和使用部门的要求，对产品的结构和性能进行更新和改造的设计）和变型设计（产品的工作原理和功能不变，为了适应工艺条件和使用要求，改变产品的具体参数或结构的设计）。显然，设计类型的不同以及机械产品本身类型的不同，都会影响到设计过程的繁简程度和设计重点所在的种类繁多，用途各异，但其设计过程却相差不多。机械产品设计一般可分为以下几个阶段：上一页下一页返回第一节总论（１）提出设计任务阶段。本阶段应根据市场信息（含预测）或用户要求确定设计任务。应组织有关人员对要设计的机械产品的需求情况反复调查研究、分析、收集整理信息资料，在此基础上，进一步明确产品应具备的功能、经济价值、加工时限要求和对环境影响情况等，经过论证，编制设计任务书。设计任务书中应明确规定机械产品的功能要求、经济性、环保要求、制造要求、基本使用要求及完成设计任务的预计期限等。上一页下一页返回第一节总论（２）方案设计阶段。根据设计任务书，通过充分的调查研究和必要的试验分析，提出若干个可行的设计方案，经过对方案的对比分析和评价，确定最佳设计方案。方案设计要提出机械产品的原理图、机构运动简图和传动系统图等，它是下一步工作的基础，对整个设计的成败起关键的作用。应力求做到所设计的方案技术先进、使用可靠、经济、合理。要说明的是，如果经过筛选之后还剩下两个方案难分伯仲，条件允许时可以齐头并进，在设计过程中，根据实际情况决定取舍。上一页下一页返回第一节总论（３）技术设计阶段。本阶段要进行运动学设计、动力学设计、结构设计和主要零部件的工作能力（强度、刚度、振动稳定性、寿命等）设计等技术设计工作，完成总体设计草图、部件及产品装配图、零件工作图等的绘制。在此阶段，由于影响设计的因素太多，它们之间又存在相互联系、相互制约的关系，造成设计工作出现反复、绘图与计算交叉进行的现象是不足为怪的。（４）整理技术文档阶段。本阶段要根据设计时的实际情况编写设计计算说明书、使用说明书等技术文件，还要整理图样，将全部图样装订成册、编写图样目录。必要时可以将全部技术文档存入计算机硬盘、拷贝软盘、制成光盘或进行微缩处理。（５）试验分析阶段。用技术设计阶段提供的图样等技术文件进行产品试制，并应进行样机的有关试验，根据样机存在的问题，对原设计方案进行修改完善。上一页下一页返回第一节总论（６）生产设计阶段。根据修改后的设计图样和其它技术文件，进行工艺流程和工艺装备的设计，完成生产准备。（７）投产、使用与考核阶段。产品在成批制造后，可以投放市场，这时需广泛征求用户的意见，为产品的改进和更新设计提供依据。在设计工作中，特别要注意处理好继承与创新的关系，既要借鉴成功的经验，特别是新技术、新结构等，以免走弯路，又要敢于突破旧的框框，运用创造性思维方法和创造技法去寻找新颖独特的设计，使产品具有竞争力。应当注意，在机械设计过程中，各个阶段的工作会不断的交叉和反复，极少出现一次就能依次进行到底的情况，这是机械设计中经常遇到的情况。上一页返回第二节机械设计基础知识设计和制造机械零件时，经常要考虑选择什么材料、经过怎样的热处理才能保证其使用性能以及便于加工等问题。实际上，合理地选择材料和加工工艺，不仅对保证机械的使用性能，而且对提高产品质量，降低加工成本、获取较高的经济效益都有重要意义，为了正确、合理地使用金属材料，必须了解其性能。下一页返回第二节机械设计基础知识一、金属材料的性能金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于生产制造和生活用品上。金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有许多良好的性能。金属材料的性能可分为物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能表现为材料在室温、高温下抵抗各种化学作用的性能，如耐蚀性、抗氧化性等。工艺性能是指材料对某种加工工艺的适应性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（一）金属材料的力学性能在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以其力学性能为主要依据，所以熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。因此这里重点介绍力学性能。金属材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的各种性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷等三种：（１）静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷。（２）冲击载荷在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷（３）交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识此外，根据作用形式的不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-4所示。金属材料由于受到外力的作用而产生的形状改变称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。弹性变形能随着载荷的去除而消失，塑性变形则是永久变形，不能随着载荷的去除而消失。１强度金属材料抵抗塑性变形（永久变形）或断裂的能力称之为强度，抵抗能力越大，则强度越高。强度的大小通常用应力来表示。测定强度高低的方法通常采用试验法。其中拉伸试验应用最普遍。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识上一页下一页返回１）拉伸试验做拉伸试验要使用拉伸试验机和试样。为了保证在不同的试验机上试验相同的材料能得到同一结果，应对试样的形状和尺寸等做出统一规定。在国家标准（ＧＢ／Ｔ６３９７—１９８６）中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确规定。拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两种。最常用的试样（如图1-5所示）为圆形拉伸试样，其中表示原始直径，表示原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样分长试样（）和短试样（）两种。第二节机械设计基础知识做拉伸试验时，先将试样按要求装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加轴向力（又称为拉伸力），试样会随着拉伸力的增加而逐渐变长，当载荷达到最大值后，试样的某处直径发生局部收缩，这种现象称为“缩颈”。由于试样缩颈处横截面积的减小，试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。在整个试验中，可以通过自动记录装置将拉伸力与试样伸长量之间的关系记录下来。如果以试样的伸长量作横坐标，拉伸力作纵坐标，则按试验的全过程绘制出的曲线表达了拉伸力和伸长量之间的关系，则此关系曲线称为力伸长曲线，也称为拉伸曲线图。图1-6是某低碳钢的力伸长曲线。图中明显地表现出下面几个变形阶段：上一页下一页返回第二节机械设计基础知识上一页下一页返回（１）弹性变形阶段（Oe段）试样变形完全是弹性的，此时如果卸载，试样就会恢复原状。为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（２）屈服阶段（es段）当载荷超过再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。当载荷增加到时，图上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。犉称为屈服载荷。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。（３）强化阶段（sb段）在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化），此阶段试样的变形是均匀发生的。犉为试样拉伸试验时的最大载荷。第二节机械设计基础知识上一页下一页返回（４）缩颈阶段（bz段）此阶段也称为局部塑性变形阶段，当载荷达到最大值时，试样的抗拉能力下降，到z点时，试样在缩颈处被拉断。２）强度指标为了便于比较，强度指标（即表征和判定强度所用的指标）采用应力的大小来度量。应力是单位面积上的内力。内力则是指材料受到外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。做拉伸试验时，试样没有断裂前处于平衡状态，可以认为内力与外力（即拉伸力）相等。单位面积上的内力称为应力。应力用符号σ表示，其单位为Ｐａ（帕）或ＭＰａ（兆帕），。第二节机械设计基础知识上一页下一页返回常用的强度指标有三个：弹性极限σｅ、抗拉强度σｂ和屈服点σｓ。它们的计算公式分别为：(1-1)

(1-2)(1-3)式中——试样产生完全弹性变形时的最大载荷（Ｎ）；——试样拉断前承受的最大载荷（Ｎ）；——试样屈服时的载荷（Ｎ）；——试样原始横截面积（）。第二节机械设计基础知识抗拉强度表示材料在拉断前所承受的最大应力。它是机械零件设计和选材的主要依据之一。屈服点是指试样在试验过程中，力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。对于无明显屈服现象的金属材料，则测定其规定残余伸长应力。表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距0.2%时的应力。机械零件在工作时如受力过大，则会因过量的塑性变形而失效。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，材料的屈服点或规定残余拉伸应力是机械设计的主要依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识2塑性塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性好的金属材料便于进行压力加工成形。判断金属材料塑性好坏的主要指标有断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。它们也可以通过前面提到的拉伸试验进行分析。断后伸长率是试样被拉断后，标距的伸长量同原始标距的百分比。即(1-4)式中——试样被拉断后的长度（ｍｍ）；——试样的原始标距的长度（ｍｍ）。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。即(1-5)式中——试样原始横截面积（）；——试样拉断后缩颈处的横截面积（）金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。例如，工业纯铁的δ可达５０％，Ψ可达８０％，可以拉制细丝，轧制薄板等。铸铁的δ几乎为零，所以不能进行塑性变形加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识下面举例说明强度、塑性的计算方法。【例】有一个直径的低碳钢试样，拉伸试验时测得，

求此试样的解：（１）计算上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（２）计算（３）计算δ，ψ上一页下一页返回第二节机械设计基础知识３硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕或划痕的能力，硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此硬度是衡量材料软硬的指标，也可以从一定程度上反映材料的综合力学性能。硬度值也可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异。材料的硬度可通过硬度试验来测定。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法、维氏测试法和里氏测试法，其中前两种方法应用最广泛。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识１）布氏硬度用布氏测试法测定的硬度称为布氏硬度。布氏测试法的原理如图1-7所示。试验时，按照一定的规范，用直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在规定的试验力F的作用下，压入试样表面并保持一段时间，然后撤去试验力F，测量压痕直径d，以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值，用符号HBS（淬火钢球）或HBW（硬质合金球）表示在实际应用时，布氏硬度值既不用计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径d后再查压痕直径与布氏硬度对照表即可。当试验力（F）和压头球体直径（D）一定时，布氏硬度值仅与压痕直径（d）的大小有关。d越小，布氏硬度值越大。也就是硬度越高。相反，d越大，布氏硬度值越小，硬度也越低。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识布氏硬度的表示方法：布氏硬度值＋压头球体的直径／试验力／试验力保持的时间（10~15ｓ不标注）。例如：170HBS10/1000/30表示用直径为10mm的钢球，在1000kgf(9807N)的试验力作用下保持30s时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750表示用直径为5mm的硬质合金球，在750kgf(7355N)的试验力作用下，保持10~15s时测得的布氏硬度值为530。布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。用钢球压头测量时，材料硬度值必须小于450；用硬质合金球压头时，材料硬度值必须小于650。又因其压痕较大，布氏硬度不宜于测量成品及薄件。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识２）洛氏硬度用洛氏测试法测出的硬度值称为洛氏硬度。洛氏测试法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。在具体实际工作中，洛氏硬度值既不用计算，也不用查表，可方便地在洛氏硬度测试仪上直接读出。根据试验时采用的压头和试验力的不同，洛氏硬度常采用三种标尺：HRA、HRB和HRC，其中HRC应用最多。洛氏硬度的表示方法：硬度值＋符号，例如：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，但可用实验测定的换算表（可查有关资料）相互比较。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识洛氏测试法的优点是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕较小，可以测定成品及较薄工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的金属材料。缺点是压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，测量值的代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来代表金属材料的硬度。除了以上两种常用硬度外，还有维氏硬度（HV）和里氏硬度（HL）。要想了解它们的情况，可查阅有关资料。由于各种硬度的测试条件不同，不能直接换算，但它们之间仍有一定的对应关系，需要时可查阅硬度对照表。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识４韧性许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧性主要反映金属抵抗冲击力而不断裂的能力，韧性好的金属抗冲击的能力强。韧性的指标是通过冲击试验确定的。为了使试验结果可以比较，必须采用标准试样。在国家标准中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确规定。常用的冲击试样的形状一般有的Ｕ形缺口和Ｖ形缺口试样，其尺寸如图1-8和图1-9所示。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识最常用的冲击试验是摆锤式一次性冲击试验。其工作原理见图1-10。先将带有缺口的试样3放在由摆锤1、机架2、指针5和刻度盘4组成的试验机上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向，再将摆锤1升到一定的高度，然后让其自由摆下，将试样冲断，并记录下摆锤的最后高度。试样被冲断所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用表示，单位为J。在实际试验时，值可在试验机上直接获得，不用计算。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识冲击吸收功（）除以试样缺口处截面积（），即可得到材料的冲击韧度，用表示。其计算公式如下：（式中为试样缺口底部的横截面积，单位面积为），工程实际中，冲击韧度也可以从某种程度上反映材料韧性的好坏，但严格地讲，摆锤式一次性冲击试验的冲击吸收功不是全部消耗在断开试样缺口的横截面上，其中有一部分消耗在断开试样前缺口附近体积内的塑性变形上，故用作为材料韧性的判据更为合适。５疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识尽管交变载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏仍有以下共同的特征：疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分），如图1-11所示。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕等），这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识交变应力与应力循环次数的关系可以通过做疲劳试验来分析。经过对试验数据的整理，可画出材料的疲劳曲线。某金属材料的疲劳曲线如图1-12所示。在该图中，纵坐标代表交变应力值σ，横坐标代表应力循环次数N，交变应力值随应力循环次数的变化大致分为两种情况：当犖＜犖时，σ随着N的增加而降低；当时，无论N增加为多少次，σ均为一定值

，即当时（或时），零件都不会发生疲劳破坏。工程上将称之为应力循环基数，其对应的应力值，称之为疲劳强度（疲劳极限），即材料经过无数次循环应力作用而不断裂的最大应力。黑色金属材料的应力循环基数为，有色金属、不锈钢等的应力循环基数。工作时，如果零件上存在着脉动循环交变应力，则

写成；如果存在着对称循环交变应力，则σ写成。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。以下将力学性能的基本指标及其含义小结于表1-1。（二）金属材料的加工工艺性能简介金属材料的加工工艺性能，是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，反映了加工的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识１铸造性能金属是否易于用铸造方法制成铸件或零件的性能称为铸造性能（也称为可铸性）。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。（１）流动性。熔融金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。（２）收缩性。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（３）偏析倾向。金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。铸造性能好的金属材料（如灰口铸铁），其液态时的流动性好，冷凝时的收缩性小，凝固后的偏析小（即凝固后各处化学成分的不均匀性小），铸件的质量较高。２压力加工性能金属材料在外力的作用下变形成为零件的加工方法称为压力加工，常分为冷、热压力加工两种类型，它们是以是否加热工件来区分的。压力加工性能是指材料是否易于用压力加工方法制成零件的性能。反映了用锻压成型方法获得优良锻件的难易程度。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识塑性好的材料（如低碳钢、铜等）一般其压力加工性能较好，对加工工艺要求不高，加工后工件不易出现裂纹、褶皱等缺陷，容易达到质量要求。压力加工性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。铸铁则不能锻压。３焊接性能被焊金属在一定的焊接条件下，是否易于获得焊接接头的能力称为焊接性能（也称为可焊性）。焊接性能好的材料对焊接条件和工艺要求不高，便于焊接，焊后不易产生焊接缺陷（如夹渣、气孔、裂纹等），焊接接头的力学性能较好。对碳钢和低合金钢，焊接性主要同金属材料的化学成分有关（其中碳的影响最大）。如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性较差。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识４切削加工性能金属材料是否易于被刀具切削加工的能力称为切削加工性能（又称可加工性）。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。切削性能好的材料（如中碳钢）在被切削加工时，其表面质量较好、切屑容易折断且刀刃不易磨损。一般认为金属材料具有适当硬度（170~230HBS）和足够的脆性时较易切削，所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识５热处理性能金属材料是否易于通过加热、保温、冷却等过程来改变其性能的能力称之为热处理性能。热处理性能好的金属材料工艺简单、生产率高、质量稳定。二、常用金属材料的热处理方法热处理是将固态金属或合金采用适当方式进行加热、保温和冷却，来获得所需要的内部组织和性能的工艺方法。热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛。它能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。此外，热处理还可改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具磨损。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识金属材料是否经过热处理对其性能有很大的影响。在机械制造中，绝大多数零件都需要进行热处理。钢在机械制造中所用的比例最大，在此主要分析钢的常用热处理方法及其目的。钢的热处理方法可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。１退火退火是指将钢件加热至临界温度（相变温度）以上的适当温度，保温一定时间后再缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺，其主要目的是降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备；消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件。球化退火适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。去应力退火适用于锻造、铸造、焊接及切削加工后的工件等。２正火正火是指将钢件加热到临界温度以上的适当温度，保温一段时间后放入空气中冷却的热处理工艺。正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火后得到的珠光体组织较细，强度、硬度比退火钢高。正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，有引起开裂的危险，所以采用退火为宜。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识正火主要用于改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。一般认为硬度在160~230HBS范围内的钢材，其切削加工性最好。硬度过高时难以加工，而且刀具容易磨损。硬度过低，切削时容易“粘刀”，使刀具发热而磨损，而且工件的表面质量较低。低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度在160HBS以下，切削加工性不良，而正火能适当提高其硬度，改善切削加工性；正火可细化晶粒，其组织力学性能较高，所以当力学性能要求不太高时，正火可作最终热处理，也能满足普通结构零件的性能要求；消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为球化退火作组织准备；代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火，改善它们的组织结构和切削加工性能上一页下一页返回第二节机械设计基础知识３淬火淬火是指将钢件加热至临界温度以上的适当温度，保温一定时间后放入淬火介质（又称淬火剂）中急剧冷却的热处理工艺。钢的淬火加热温度可根据相图来选择。常用的淬火冷却介质有水、盐水、油、碱水等。其主要目的是提高钢的强度和硬度。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识常用的淬火方法有单液淬火法、双介质淬火法、马氏体分级淬火法、贝氏体等温淬火法。单液淬火时碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。单液淬火操作简单，易实现机械化和自动化，但单独用水或油进行冷却，综合的冷却特性不够理想，容易产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。双介质淬火内应力小，变形及开裂小，但操作困难，不易掌握，故主要应用于由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥等。马氏体分级淬火，可以减小淬火应力，防止工件变形和开裂，马氏体分级淬火主要应用于合金钢或截面不大、形状复杂的碳钢工件。贝氏体等温淬火的主要目的是强化钢材，使工件获得强度和韧性的良好配合，以及较高硬度和较好的耐磨性。贝氏体等温淬火可以显著地减小淬火应力和变形，基本上避免了工件的淬火开裂，故常用来处理形状复杂的各种模具、成形刀具等。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识因淬火时工件内部会产生很大的内应力，工件会变脆，故淬火后必须回火。４回火将淬火后的钢，再加热到至临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火钢回火的目的是消除内应力，通过回火减小或消除工件在淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂；通过回火可获得所需要的力学性能，能够提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件具有较好的综合力学性能；回火可稳定组织和尺寸，从而保证工件在使用过程中尺寸稳定回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种情况。生产中常把淬火及高温回火的复合热处理称为调质，其目的是提高工件的综合力学性能。重要零件一般都需要经过调质。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识５表面热处理表面热处理是使零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性的热处理工艺。在机械中，有许多零件（如齿轮、轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件都需要表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。（１）表面淬火。仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。火焰加热表面淬火一般适用于单件或小批生产。感应加热表面淬火适用于大批量生产。表面淬火主要适用于中碳钢、中碳合金钢。如果含碳量太低，淬火后硬度低；而含碳量过高，则容易淬裂。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（２）化学热处理。将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理与其他热处理相比，不仅改变了钢的组织，而且钢表层的化学成分也发生了变化。化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等多种。不论哪一种方法，都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程来完成的。渗碳是将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的是为了增加零件表层的含碳量。渗碳可以使零件表面硬度高、强度高、耐磨性好，而心部仍保持原有的韧性和强度，多应用于受冲击载荷的低碳钢、低碳合金钢或中碳钢零件。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识渗氮的工艺方法与渗碳类似。由于氮的特殊作用，使得工件表面的硬度更大，耐磨性与耐蚀性好。渗氮多用于耐磨性零件（钢件或铸铁件），特别适用于在潮湿、碱水或燃烧气体介质中工作的零件。三、机械工程常用材料机械工程常用材料分为两大类：金属材料和非金属材料。金属材料又可以分为两大类：钢铁材料（黑色金属）和非铁金属材料（有色金属及其合金）。本书从简明和实用的角度对金属材料按以下形式进行分类：上一页下一页返回第二节机械设计基础知识上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（一）工业用钢钢及铸铁的主要元素铁是地壳中第四种蕴藏丰富的元素。很久以来，它已成为重要的基本金属。随着铁及铁合金技术的不断发展，还将继续扩大它们在机械工程中的用途。要充分发挥铁碳合金的性能，了解钢及铸铁的有关知识是必要的。１钢的概述钢是以铁、碳为主要成分的铁碳合金，其含碳量大于0.0218%小于2.11%。包括碳素钢和合金钢两大类。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识１）钢的冶炼自然界中，铁很少以纯铁状态出现，而是以铁矿石的形式出现。因此，钢的制取较复杂：先要将铁矿石在高炉中用碳或一氧化碳还原得到生铁（C>2.11%），这一过程称为铁的冶炼；然后将生铁与废钢在炼钢炉中炼成钢，这一过程称为钢的冶炼。常用的炼钢炉有平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔炉等。钢的冶炼实质上是一个氧化过程。它以生铁和废钢为原料，在熔化状态通过氧化使碳含量降低到某成分范围，并使所含杂质（如Mn、Si、S、P等）降到一定限度以下，合金钢还需要添加合金元素，最后获得所需成分的钢液。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识由于在炼钢过程中加入大量氧以完成氧化过程，因此在炼钢末期，钢液的化学成分虽已符合要求，但钢水中仍含有较多的氧，这将会降低钢的质量并产生缺陷。因此，必须经过脱氧处理才能获得适合要求的钢。脱氧要向钢水中加入脱氧剂，如锰铁、硅铁和铝等。脱氧剂使溶解于钢水中的氧化铁还原，生成不溶于钢水的氧化物熔渣，然后上浮排出。钢按脱氧程度不同，可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。脱氧相当完全的钢称为镇静钢。这种钢组织致密，成分均匀，力学性能较好，合金钢和许多碳钢是镇静钢。脱氧不完全的钢称为沸腾钢。这种钢凝固前将发生氧碳反应，生成大量的CO气泡，引起钢水沸腾。与镇静钢相比，其成分、性能不均匀，组织疏松，强度也较低，不适于制造重要零件。半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识２）钢的型材加工炼成的钢液可通过直接浇铸成铸钢件，即形成结构、形状、尺寸与零件大致相同的铸造毛坯。但绝大部分都是先浇铸成钢锭后再经塑性变形成形。少量钢锭通过锻造成形。更多的是经轧制、挤压和拉拔等方法制成各种钢材，如钢管、钢板、型钢、钢丝等。３）钢的质量（１）杂质Si、Mn、S、P的影响。钢中作为杂质存在的元素主要有Si、Mn、S、P等。锰和硅一般是为脱氧加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用，能脱硫，故为有益元素。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识硫和磷是随炼钢原材料进入钢中的。硫与铁形成化合物FeS，FeS又与Fe形成低熔点共晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化而脆化开裂，这称为“热脆”。磷溶于铁素体会导致钢在低温时的塑性、韧性急剧下降，这称为“冷脆”。因此硫和磷是钢中的有害元素，应严格限制。硫、磷虽是有害元素，但在某些情况下却有有益的一面，如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑，这种钢称为易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气中的耐蚀性。（２）气体氢的影响。氢在钢中的严重危害是造成白点，这是一种银白色斑点，实际上是一种微裂纹。它使钢的塑性、韧性急剧下降，导致钢件淬火时开裂或使用时发生突然断裂，因此十分危险。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（３）非金属夹杂物的影响。钢中非金属夹杂物的存在，将降低钢的塑性，且常为冲击破坏和疲劳破坏的裂纹源。为获得高质量的钢，可采用真空电弧炉重熔，以进一步降低各种杂质含量。２钢的分类、编号与成分特点钢的品种繁多，为了便于管理和使用，必须将钢加以分类和编号。（１）按用途分为结构钢、工具钢、专门用途钢和特殊性能钢；（２）按含碳量的多少分为低碳钢（C≤0.25%）、中碳钢（C=0.25%~0.60%）、高碳钢（C>0.60%）；上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（３）生产上根据钢中有害杂质元素Ｓ、Ｐ的含量，把钢分为普通质量钢（S<0.055%、P<0.045%）、优质钢（S、P＜0.040%）、高级优质钢（S<0.030%、P<0.035%）。（４）按合金元素含量的多少分为非合金钢、低合金钢和合金钢，其界限值见表1-2。在保证有害杂质不超标和采用合适的热处理工艺的情况下，影响钢性能的主要因素是钢中含碳量与合金元素含量。在此，我们先简要介绍《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》（GB/T17616-1998）和各种钢产品牌号的编号方法。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》规定，统一数字代号由一个大写的拉丁字母接5位阿拉伯数字组成，并规定每一个数字代号只适用于一个产品牌号、反之亦然，还规定凡列入国家标准和行业标准的钢铁及合金产品应同时列入产品牌号和统一数字代号并相互对照，两种表示方法均为有效。如：20Cr、40钢的统一代号分别为A20202、U20402。非合金钢（即碳素钢）牌号的编号方法见表1-3。低合金钢牌号的编号方法是用字母“Q”（表示屈服点，是“屈”汉语拼音字母字头）起头，接着是屈服点值及质量等级（从低到高用A、B、C、D、E表示）。如Q295A、Q345B等。合金钢牌号的编号方法见表1-4。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识３钢的牌号、性能和应用１）碳素钢含碳量大于0.0218%小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门中得到广泛的应用。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（１）碳素结构钢。碳素结构钢为低碳钢或中碳钢，力学性能一般，加工工艺性好，价格便宜，使用时不用进行热处理，多用来制造一般工程结构件和不重要的机械零件。碳素结构钢的牌号性能与应用见表1-5。（２）优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的有害杂质含量较少，化学成分准确，力学性能可靠，常用来制造比较重要的机械零件。优质碳素结构钢一般都要进行热处理，以便充分发挥其良好的力学性能。常用优质碳素结构钢的牌号、性能和应用见表1-6，其中最常用的是45钢。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（３）碳素工具钢。碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70%以上，都是优质钢或高级优质钢，有害杂质含量少，经淬火和低温回火后硬度高（不小于62HRC）、耐磨性好。但因其热硬性（又称红硬性，即在高温下保持高硬度的性能）很差，当温度超过250℃后，硬度会急剧下降，故多用来制作在常温下使用的低速工具，手动工具、模具和耐磨零件等碳素工具钢的牌号有T7、T8、T8A、T8Mn、T8MnA、T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A、T12、T12A、T13、T13A等。随着含碳量的增加，碳素工具钢的硬度和耐磨性增加，但韧性和淬透性降低。碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途如表1-7所示。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识（４）铸造碳钢。铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件，这些零件形状复杂，很难用锻造或机械加工的方法制造，又由于力学性能要求较高，不能用铸铁来铸造。铸造碳钢广泛应用于铸造重型机械的某些零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。铸造碳钢的含碳量一般在0.20%~0.60%之间，如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成：第一组数字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度值。如ZG270500表示屈服点不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能如表1-8所示。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识不同牌号的铸造碳钢用于不同使用要求的零件。ZG200400有良好的塑性、韧性和焊接性，用于受力不大、要求具有一定韧性的零件，如机座、变速箱体等。ZG230450有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好，切削性能尚可，用于受力不大、要求具有一定韧性的零件，如砧座、轴承盖、外壳、阀体、底板等。ZG270500有较高强度和较好塑性，铸造性能良好，焊接性较差，切削性能良好，是用途较广的铸造碳钢，用作轧钢机机架、连杆、箱体、缸体、曲轴、轴承座等。ZG310570强度和切削性能良好，塑性、韧性较差，用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等。ZG340640有高的强度、硬度和耐磨性，切削性能中等，焊接性差，裂纹敏感性大，常用作齿轮、棘轮等。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识许多形状复杂或尺寸很大的批量生产零件可以用铸钢来制造。铸钢的铸造性能比铸铁稍差，但力学性能和焊接性能却大大优于铸铁，故多用在工程机械和车辆中。目前应用较多的是铸造碳钢。在碳素钢钢水中加入某些合金元素同样可以改善其性能，可得到不锈钢铸件、耐热钢铸件等。２）合金钢碳素钢的冶炼、加工简单，价格便宜，并且通过热处理可以得到不同的性能，以满足工业生产上的各种需要。但是，碳素钢的淬透性差，缺乏良好的综合性能，如重型机械的传动轴、汽轮机叶片、汽车和拖拉机的一些重要零件，若选用碳素钢，就达不到性能要求。此外碳素钢缺乏一些特殊性能，如耐热、耐腐蚀、高磁性、无磁性、耐磨等。因此，随着现代工业和技术的发展，人们在机械制造中还广泛采用合金钢上一页下一页返回第二节机械设计基础知识所谓合金钢就是为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。这类钢中除含有硅、锰、硫、磷外，还根据钢种要求向钢中加入一定数量的合金元素，如铬、镍、钼、钨、钒、钴、硼、铝、钛及稀土等合金元素。合金钢按用途分类，可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。（１）合金结构钢。常用的合金结构钢有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等，其中低合金结构钢主要用于各种工程结构件，如桥梁、建筑、船舶等；其它钢则主要用于制造各种机械零件，通常是优质或高级优质合金结构钢，它们都是用来制造重要机械零件。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识使用合金结构钢可以明显减小零件的尺寸和重量，从而使整机小而轻。合金结构钢的品种多，性能各有千秋，但价格较高，可根据需要进行合理选用。①低合金高强度结构钢。在低碳碳素结构钢中加入少量的锰、钒、钛、铌、铬、镍等合金元素（以锰为主）后，可以制成一种新钢种：低合金高强度结构钢。因该钢种与碳素结构钢相比具有较高的强度，较好的韧性、焊接性和耐蚀性，较高的性能价格比，故在桥梁、船舶、车辆、容器和建筑结构中得到了广泛的应用。按GB/T1591-1994，低合金高强度结构钢的牌号从Q295至Q460有多个。最常用的是Q345钢。因低合金高强度结构钢经过热轧后一般都进行了退火或正火处理，故使用时不再进行热处理。低合金高强度结构钢的牌号、力学性能和应用见表1-9。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识②合金渗碳钢。合金渗碳钢属于低碳合金钢，它们的表面硬度高（可达58~64HRC），心部韧性好，切削加工性好，要经过渗碳、淬火、低温回火后才能使用。合金渗碳钢是用来制造既有优良的耐磨性、耐疲劳性，又能承受冲击载荷的作用的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮、内燃机中的凸轮和活塞销等。合金渗碳钢的含碳量在0.10%~0.25%之间，可保证心部有足够的塑性和韧性；加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素以提高钢的淬透性，使零件在热处理后，表层和心部均得到强化；加入钒、钛等合金元素，主要是为了防止在高温长时间渗碳过程中的晶粒长大。20CrMnTi是最常用的合金渗碳钢，适用于截面径向尺寸小于30mm的高强度渗碳零件。常用合金渗碳钢的牌号、力学性能和用途见表1-10。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识③合金调质钢。合金调质钢属于中碳合金钢，含碳量一般为0.25%~0.50%，含碳量过低，硬度不足。含碳量过高，则韧性不足。它们的综合力学性能良好，淬透性好，切削加工性好，用来制造一些受力复杂、易出现严重磨损的重要零件。合金调质钢中常加人少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。合金调质钢的热处理工艺是调质，即淬火后高温回火，处理后获得回火索氏体组织，使零件具有良好的综合力学性能。若要求零件表面有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理。常用的合金调质钢的牌号、力学性能和应用见表1-11。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识④合金弹簧钢。弹簧是各种机器和仪表中的重要零件，它主要在动载荷下工作，即在冲击、振动的条件下，或在交变应力作用下工作，利用弹性变形来吸收冲击能量，起缓冲作用。由于弹簧经常承受振动和长期在交变应力作用下工作，主要是疲劳破坏，故弹簧钢必须具有高的弹性极限和高的疲劳极限。此外，还应有足够的韧性和塑性，以防止在冲击力作用下突然脆断。在工艺性能方面，弹簧钢应具有较好的淬透性和低的脱碳敏感性，降低弹簧表面粗糙度能提高疲劳寿命。为了获得所需要的性能，弹簧钢必须具有较高的含碳量，其含碳量在0.45%~0.70%之间，加入的合金元素有Mn、Si、Cr、W、V、Mo等，它们的主要作用是提高淬透性与回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，有效地改善钢的力学性能，其中Cr、W、Mo还能提高钢的高温强度。合金弹簧钢用于制造截面尺寸较大的弹簧。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识根据制造方法不同，弹簧一般分为两类：一类是在热状态下成型的弹簧（直径或厚度一般在10mm以上），称热成型弹簧；一类是在冷状态下成型的弹簧（直径或厚度一般在10mm以下），称冷成型弹簧。这两种弹簧在成型之后都必须经过热处理，才能满足使用要求。热成型弹簧制造时多数将热成型和热处理结合在一起进行的，而螺旋弹簧则大多数是在热成型后再进行热处理。这类弹簧钢的热处理方法是淬火后中温回火，热处理后的组织为回火托氏体，这种组织的弹性极限和屈服极限高，硬度为40~45HRC，并有一定的韧性。热成型弹簧一般用于大型弹簧或形状复杂的弹簧。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识冷成型弹簧采用冷拉弹簧钢丝冷绕成型，由于弹簧钢丝在生产过程中（冷拉或铅浴淬火）已具备了很好的性能，所以冷绕成形后，不再淬火，只须作250℃~300℃的去应力退火，以消除在冷绕过程中产生的应力，并使弹簧定型。冷成型弹簧一般用于小型弹簧。常用合金弹簧钢的牌号有：60Si2Mn、50CrVA、55Si2Mn、60Si2CrVA等。⑤滚珠轴承钢。滚动轴承钢不仅用于制造各种轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针），常常也用来制造要求高耐磨性的其他零件和部分模具及量具。轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和良好的淬透性，同时在大气或润滑油中具有一定的抗蚀能力。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识应用最广的轴承钢是高碳铬钢，其一般含碳量为0.95%~1.10%，以保证具有高强度、高弹性和高耐磨性。钢中加入0.40%~1.65%铬，可增加钢的淬透性，并使钢中的碳化物（Fe，Cr）3C呈均匀、细密分布，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还可以加入硅、锰等元素。滚动轴承钢对有害元素及杂质的限制极高，一般规定含Ｓ＜0.02%，含Ｐ＜0.027%；非金属夹杂物（氧化物、硅化物、硅酸盐等）的含量必须很低，否则会降低轴承钢的力学性能，影响轴承的使用寿命。可见轴承钢都是高级优质钢。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识滚动轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理采用球化退火，其目的是为了获得球状珠光体组织，以降低锻造后钢的硬度，便于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。最终热处理为淬火加低温回火，其目的是获得极细的回火马氏体和细小均匀分布的碳化物组织，以提高轴承的硬度和耐磨性，硬度可达61~65HRC。目前应用最多的滚动轴承钢有：GCr15主要用于中小型滚动轴承；GCr15SiMn主要用于较大的滚动轴承。近年来，结合我国资源也研制成功无铬轴承钢，其性能已达到或超过铬轴承钢，但耐蚀性能、切削性能稍差。无铬轴承钢正逐步推广应用。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识２）合金工具钢工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两种。碳素工具钢容易加工，价格便宜，但是淬透性差，容易变形和开裂，而且当切削过程温度升高时容易软化（热硬性只有200℃）。因此，尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具以及切削速度较高的刀具，均采用合金工具钢制造。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。（１）合金刃具钢。合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速工具钢两种。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识①低合金刃具钢。低合金刃具钢中主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性，能制造尺寸较大的刀具，可在冷却较缓慢的介质中（如油）淬火，使变形倾向减小。这类钢的强度和耐磨性也比碳素工具钢高。由于合金元素加入量不大，故一般工作温度不得超过300℃。低合金刃具钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火后低温回火。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识9SiCr和CrWMn是最常用的低合金刃具钢。9SiCr钢由于加入铬和硅，使其有较高的淬透性和回火稳定性，碳化物细小均匀，热硬性可达300℃。因此，适用于制造要求变形小的薄刃刀具、如板牙、丝锥、铣刀、绞刀。CrWMn钢的含碳量为0.90%~1.05%，铬、钨、锰同时加入，使钢具有很高的硬度（64~66HRC）和耐磨性，但热硬性不如9SiCr。CrWMn钢热处理后变形小，又称微变形钢，主要用来制造较精密的低速刀具，如长铰刀、拉刀等。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识②高速工具钢。高速工具钢简称高速钢，又被称之为风钢、锋钢、白钢。高速工具钢发展较早，应用广泛。它是一种具有高热硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳（0.7%~1.50%）和大量的钨、铬、钒、铝等强碳化物形成元素。高的含碳量是为了保证形成足够量的合金碳化物，并使高速钢具有高的硬度和耐磨性；钨、钼是提高钢热硬性的主要元素；铬主要提高钢的淬透性；钒能显著提高钢的硬度、耐磨性和热硬性，并能细化晶粒。高速钢只有经过适当的热处理以后才能获得较好的组织和性能。其热处理为一次高温淬火（一般为1220℃~1280℃）后必须在550℃~570℃温度下进行多次回火（一般二次或三次）。热处理后硬度可达63~66HRC，从而提高了钢的硬度和耐磨性。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识与量具钢、刃具钢相比，高速钢除了具有更高的硬度、更好的耐磨性、韧性和足够的强度之外，最大的优点是热硬性好，即使在600℃高温下工作，也能保证其硬度在60HRC以上，多用来制造切削速度较高的刀具（如车刀、铣刀、钻头等）和形状复杂、载荷较大的成形刀具（如齿轮铣刀、拉刀等）。此外，高速钢还可用于制造冷挤压模及某些耐磨零件。常用高速钢的牌号、成分、热处理及应用见表1-12。（２）合金模具钢。根据模具的用途、结构和工作条件可分为冷作模具钢和热作模具钢两类。用于冷态金属成型的模具钢称为冷作模具钢，这类模具工作时的工作温度一般不超过200℃~300℃。用于热态金属成形的模具称为热作模具钢，这种模具工作时型腔表面工作温度可达600℃以上。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识①冷作模具钢。冷作模具钢工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦，因此应具有高的硬度和高的耐磨性，足够的强度、韧性和疲劳强度，要保证模具在工作时，能承受各种载荷，而不发生断裂或疲劳断裂。此外，对于形状复杂的模具，要求钢材热处理变形小，大型模具还要求有良好的淬透性。冷作模具钢是用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、拉丝模等。小型冷作模具可用碳素工具钢和低合金刃具钢来制造，如T10A，T12，9SiCr，CrWMn，9Mr2V等。大型冷作模具一般采用Cr12，Cr12MoV等高碳高铬钢制造。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。上一页下一页返回第二节机械设计基础知识②热作模具钢。由于被加工工件在热状态成型，模具除承受很大的冲击负荷外，还受到高温（模具工作温度在300℃~400℃，局部可达500℃~600℃）的影响，以及空气、油、水的反复冷却。因此要求热作模具钢具有高的热强性和热硬性、高温耐磨性和高的抗氧化性，以及较高的抗热疲劳性，良好的导热性、淬透性、冲击韧度和加工工艺性

一般采用中碳（C=0.3%~0.6%）合金钢制造。含碳量过高会使韧性下降，导热性也差；含碳量太低则不能保证钢的强度和硬度。加入合金元素铬、镍、锰、硅等是为了强化钢的基体和提高钢的淬透性。加入钼、钨、钒等是为了细化晶粒，提高钢的回火