第一章机械零件的常用材料与结构工艺

2019/8/81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2019/8/82§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2019/8/83铁碳合金（C2%）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2019/8/84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）2019/8/852）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%C0.6%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2019/8/863）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2019/8/87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：ZG230-4502019/8/882、铸铁铁碳合金（C2%）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2019/8/891)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。2019/8/8101）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2019/8/8112）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、发动机附件等铝及铝合金是应用最广的轻金属，纯铝有良好的塑性、耐蚀性、导电性、导热性和焊接性。2019/8/8124、工程塑料在工程中用来作结构或传动件材料的塑料，具有较高的强度，质量轻，绝缘性、减摩耐磨性、耐蚀性、耐热性好。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2019/8/813二、钢的热处理简介1、热处理定义：将钢在固态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法。目的：促使钢内部组织机构发生变化，从而提高零件的力学性能和改善工艺性能。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。2019/8/814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正火淬火回火调质化学热处理2、常用的热处理方法2019/8/815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。退火：2019/8/816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。2019/8/817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。淬火：2019/8/818将淬火钢重新加热到某一低于临界温度，保温一段时间，然后冷却。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2019/8/819调质可以提高和改善材料的综合力学性能。一些重要的零件，特别是一些在变应力作用下的零件，如连杆、齿轮、轴等常采用调质处理。调质即淬火和高温回火的综合热处理工艺。调质：2019/8/820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。2019/8/821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。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）2019/8/822渗碳（carburizing/carburization）渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。2019/8/823渗氮（nitriding）又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。2019/8/824碳氮共渗（氰化）碳氮共渗后淬火加低温回火。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。氰化常用于低碳钢和中碳钢。2019/8/825在机械设计中，零件材料的选用是否合理，将直接影响到机械的使用性能、工作可靠性和经济性。在选用材料时，应注意：1.使用方面的要求1）零件所受载荷的大小和性质，以及应力状态；2）零件的工作条件；3）零件尺寸、重量有无限制；4）零件的重要程度；5）其他特殊要求，如导电性、抗磁性等。三、选用材料的基本原则2019/8/8262.工艺性方面的要求所选的材料要保证零件便于制造，即应与零件的结构和复杂程度、尺寸大小和毛坯的制造方法相适应。例：焊接毛坯（焊接性能好）、冲压或模锻（塑性较好）3.经济方面的要求所选材料应保证零件最经济地制造出来，不仅要考虑原材料价格的高低，还要考虑零件制造成本的高低。2019/8/827总之，在选用材料时，要综合考虑各相关因素，并分清主次，以满足主要要求，协调次要要求;参照已成功使用着的同类机器中各零件材料的应用情况。2019/8/828§1-2机械零件的结构工艺性能以最低的成本和最少的劳动量将零件制造出来，并便于装配、维修和更换。良好的工艺性机械零件的结构工艺性零件所具有的结构是否便于制造、装配和拆卸等。2019/8/829一、便于零件毛坯的制造（表1-9，p13）铸造1.铸件上壁厚不宜过薄或过厚，各部分壁厚应均匀。2.两个面的交界处应作出圆角，在壁厚相差超过一倍作出过渡斜度。3.在拔模方向上设有铸造斜度，铸件上避免内凹形状。2019/8/830锻造（自由锻）1.锻件毛坯外形简单，一般不允许有强肋。2.外形平直、对称，避免锥形、楔形。3.不允许在交叉件内设凸台。2019/8/831冲压1.轮廓设倒圆，提高模具寿命。2.弯曲件最好形状对称，否则影响成形。3.各部分尺寸合比例，否则难以成形。2019/8/832焊接1.考虑焊接时操作方便。2.避免焊缝过分集中，以减小变形和防止裂纹。3.焊缝避免设在应力集中的地方。2019/8/833二、便于零件的机械加工（表1-10，p15）1.被加工面的尺寸和数量尽可能减少。2.加工面力求布置在同一平面，加工面和不加工面明显分开。3.尽量统一同一零件上的切槽、圆角、键槽等。2019/8/834退刀槽、越程槽盲孔加工与设计斜面钻孔加工与设计斜面钻孔加工与设计2019/8/835三、便于零件的装卸和可靠定位（表1-11，p17）1.要有足够的安装空间2.定位销空尽可能钻穿，便于取出与铁屑的排出2019/8/8363.合理设计定位面4.定位面不宜过多2019/8/837§1-3机械设计中的标准化定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参