2025/6/61第一章機械零件的常用材料和結構工藝性§1-1機械零件的常用材料及選用§1-2機械零件的結構工藝性§1-3機械設計中的標準化2025/6/62§1-1機械零件的常用材料及選用一、機械零件常用材料

復合材料黑色金屬（鋼、鑄鐵等）有色金屬（如銅、鋁及其合金等）非金屬材料金屬材料如工程塑料、橡膠、玻璃等如纖維增強塑料、金屬陶瓷等2025/6/63鐵碳合金（C<2%）結構鋼（機械零件、工程結構等）工具鋼（刀具、量具、模具等）特殊鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等）1、鋼用途碳素鋼（非合金鋼）低合金鋼合金鋼化學成分2025/6/64表1-1普通碳素結構鋼牌號力學性能（不小于）用途抗拉強度σb/MPa屈服點σs/MPa伸長率δ/%Q195315~43019533沖壓件、焊接件及受載小的機械零件，如墊圈,開口銷、地腳螺栓等Q215Q235335~450375~5002152353126焊接件、金屬結構件及螺栓、螺母、鉚釘、銷軸、連桿、支座等受載不大的機械零件Q255Q275410~550490~6302552752420金屬結構件及螺栓、螺母、墊圈、楔、轉軸、心軸、鏈輪、吊鉤、連桿等受力較大的機械零件1）普通碳素結構鋼牌號含義：Q235，Q235-A（B、C、D）2025/6/652）優(yōu)質碳素結構鋼表1-2優(yōu)質碳素結構鋼牌號力學性能（不小于）用途抗拉強度σb/MPa屈服點σs/MPa伸長率δ/%10203354102052453125冷沖壓件、連接件及滲碳零件，如心軸、套筒、螺栓、螺母、吊鉤、摩擦片、離合器盤等30454906002953552116調制零件，如齒輪、套筒、連桿、軸類零件及連接件等6070675715400420129彈簧、彈性墊圈、凸輪及易磨損零件牌號含義：45鋼（平均含碳量為萬分之45)C≤0.25%低碳鋼，強度、硬度低，塑性、焊接性能好0.25%<C<0.6%中碳鋼，綜合性能好，應用最廣C≥0.6%高碳鋼，彈性或易磨損元件2025/6/663）合金結構鋼表1-3合金結構鋼牌號力學性能（不小于）用途抗拉強度σb

/MPa屈服點σs/MPa伸長率δ/%20Cr83554010用于要求心部強度高，承受磨損，尺寸較大的滲碳零件20Mn278559010可代替20Cr鋼制造齒輪、軸等滲碳零件40Cr9807859用于較重要的調質零件，如連桿、重要齒輪、曲軸等35SiMn88573515可代替40Cr鋼制造齒輪、軸類零件65Mn9807858截面小于20mm的冷卷彈簧50CrVA1275113010大截面高強度彈簧牌號含義：如45Mn2，40Cr，50CrVA當合金元素的平均含量低于1.5%僅用元素符號表示2025/6/67牌號力學性能（不小于）用途抗拉強度σb/MPa屈服點σs/MPa伸長率δ/%ZG230-45045023022機座、機蓋、箱體等。焊接性良好ZG270-50050027018飛輪、機架、蒸汽錘、聯(lián)軸器、水壓機工作缸，焊接性尚好ZG310-57057031015聯(lián)軸器、氣缸、齒輪、重載荷機架ZG340-64064034010起重運輸機中的齒輪、聯(lián)軸器等重要機件4）鑄鋼表1-4一般工程用鑄造碳鋼可用鑄造方法來獲得毛坯，適用于尺寸較大、形狀復雜、要求較高的零件。牌號含義：ZG230-4502025/6/68

2、鑄鐵鐵碳合金（C>2%）

鑄鐵性脆，不適合于鍛壓和焊接，但熔點低，流動性好，可鑄造形狀復雜的大小鑄件。主要包括：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。牌號力學性能用途抗拉強度σb/MPa抗壓強度σs/MPaHT200200750氣缸、齒輪、機床、飛輪、齒條、襯筒、一般機床鑄有導軌的床身、液壓筒、泵的殼體等.HT2502501000閥殼、油缸、氣缸、聯(lián)軸器、機體、齒輪、齒輪箱外殼、飛輪、凸輪、軸承座等.HT3003001100齒輪、凸輪、車床卡盤、壓力機的床身、導板、增壓液壓筒、泵的殼體等.牌號含義：HT150（抗拉強度平均值）表1-5灰鑄鐵2025/6/69銅及銅合金

黃銅：Cu與Zn（≥15%）合金

青銅錫青銅：Cu與Sn的合金

無錫青銅：Cu與Al、Si、Pb等的合金

2)鋁及鋁合金

形變鋁合金：防銹鋁、鍛鋁等

鑄造鋁合金（應用最廣的輕金屬）

3、有色金屬銅的力學性能很低，在機械工業(yè)中的應用并不多。2025/6/6101）銅及銅合金表1-6銅合金牌號力學性能材料狀態(tài)用途抗拉強度σb/MPa伸長率δ/%ZCuSn10P1(10-1錫青銅)22031032砂模金屬模受沖擊載荷的耐磨件，如齒輪、渦輪、軸瓦、襯套、絲桿螺母等ZCuAl10Fe3(10-3鋁青銅)4905401012砂模金屬模重要的軸承、軸套、輪緣及大型鑄件等H62(62黃銅)37049棒材螺母、墊圈、鉚釘、彈簧等導電性、導熱性、減摩耐磨性、耐腐蝕性良好2025/6/6112）鋁及鋁合金表1-7鋁合金牌號力學性能材料狀態(tài)（棒材）用途抗拉強度σb/MPa伸長率δ/%2Al1(LY11，硬鋁)42015砂模金屬模中等強度零件及焊接件，如螺栓、鉚釘、接頭、骨架等7A04(LC4，超硬鋁)60012砂模金屬模高強度零件、大梁、框架等ZAlSi7Mg(ZL101鑄鋁硅合金)2221棒材中等強度、形狀復雜的零件，如支架、客體、發(fā)動機附件等

鋁及鋁合金是應用最廣的輕金屬，純鋁有良好的塑性、耐蝕性、導電性、導熱性和焊接性。2025/6/6124、工程塑料

在工程中用來作結構或傳動件材料的塑料，具有較高的強度，質量輕，絕緣性、減摩耐磨性、耐蝕性、耐熱性好。牌號力學性能用途抗拉強度σb/MPa伸長率δ/%尼龍6646~81.360~200適用于中等載荷、溫度≤100~120℃、無潤滑或少潤滑條件下工作的耐磨受力傳動零件.聚四氟乙烯(PTEE，F(xiàn)-4)13.7~24.5250~350主要用作耐化學腐蝕、耐高溫的密封元件，也用作輸送腐蝕介質的高溫管道、耐腐蝕襯里、容器以及軸承、導軌、無油潤滑活塞環(huán)、密封圈等.酚醛塑料(PF)24.5常用的為層壓酚醛塑料和粉末狀壓制塑料，有板材、管材及幫料等。可用作軸承、軸瓦、帶輪、齒輪、制動裝置和離合裝置的零件、摩擦輪及電器絕緣零件等.表1-8工程塑料2025/6/613二、鋼的熱處理簡介1、熱處理定義：將鋼在固態(tài)下進行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法。目的：促使鋼內部組織機構發(fā)生變化，從而提高零件的力學性能和改善工藝性能。熱處理能充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)省鋼材，延長機械的使用壽命。2025/6/614

時間溫度加熱保溫臨界溫度淬火回火調質退火正火加熱保溫臨界溫度調質正火加熱保溫臨界溫度正火回火臨界溫度正火退火正火淬火回火調質化學熱處理2、常用的熱處理方法2025/6/615

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后隨爐冷卻。1.消除內應力，降低硬度，便于切削；2.提高塑性和韌性；3.改善組織為進一步熱處理作準備。退火：2025/6/616正火：1.消除內應力（不如退火徹底），鋼的強度、硬度較退火高；2.不占用設備，生產率較高。

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后在空氣中冷卻。2025/6/617

將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后在水或油中快速冷卻。1.鋼的硬度急劇增加，但存在很大的內應力，脆性增加；2.為了減少內應力、降低脆性和獲得良好的機械性能，淬火后一般均需回火。淬火：2025/6/618

將淬火鋼重新加熱到某一低于臨界溫度，保溫一段時間，然后冷卻。回火：150～250℃作用：減少內應力、降低脆性；同時保存淬火鋼的高硬度和耐磨性。應用：刀具，量具350～500℃作用：彈性↑，硬度↓應用：有彈性要求的零件，如：彈簧500～650℃作用：強度、硬度、塑性和韌性等都較好應用：重要的機械零件，如：齒輪，軸等。高溫回火中溫回火低溫回火2025/6/619

調質可以提高和改善材料的綜合力學性能。一些重要的零件，特別是一些在變應力作用下的零件，如連桿、齒輪、軸等常采用調質處理。調質即淬火和高溫回火的綜合熱處理工藝。調質：2025/6/620

表面淬火

將機械零件表面迅速加熱到淬火溫度，熱量未傳至中心，即快速冷卻的熱處理方法。2025/6/621

將機械零件放在含有某種化學元素的介質中加熱和保溫，使該元素的活性原子滲入到零件表面的熱處理方法。化學熱處理作用：表面硬而耐磨，芯部仍保持原有韌性。

滲碳滲氮（氮化）

碳氮共滲（氰化）2025/6/622

滲碳（carburizing/carburization）

滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工藝廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。

2025/6/623

滲氮（nitriding）

又稱氮化，是指向鋼的表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度與耐磨性以及提高疲勞強度、抗腐蝕性等。

與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。2025/6/624

碳氮共滲（氰化）

碳氮共滲后淬火加低溫回火。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。氰化常用于低碳鋼和中碳鋼。2025/6/625

在機械設計中，零件材料的選用是否合理，將直接影響到機械的使用性能、工作可靠性和經濟性。在選用材料時，應注意：

1.使用方面的要求

1）零件所受載荷的大小和性質，以及應力狀態(tài)；

2）零件的工作條件；

3）零件尺寸、重量有無限制；

4）零件的重要程度；

5）其他特殊要求，如導電性、抗磁性等。三、選用材料的基本原則2025/6/6262.工藝性方面的要求所選的材料要保證零件便于制造，即應與零件的結構和復雜程度、尺寸大小和毛坯的制造方法相適應。例：焊接毛坯（焊接性能好）、沖壓或模鍛（塑性較好）3.經濟方面的要求所選材料應保證零件最經濟地制造出來，不僅要考慮原材料價格的高低，還要考慮零件制造成本的高低。2025/6/627

總之，在選用材料時，要綜合考慮各相關因素，并分清主次，以滿足主要要求，協(xié)調次要要求;參照已成功使用著的同類機器中各零件材料的應用情況。2025/6/628§1-2機械零件的結構工藝性

能以最低的成本和最少的勞動量將零件制造出來，并便于裝配、維修和更換。良好的工藝性機械零件的結構工藝性零件所具有的結構是否便于制造、裝配和拆卸等。2025/6/629一、便于零件毛坯的制造（表1-9，p13）鑄造1.鑄件上壁厚不宜過薄或過厚，各部分壁厚應均勻。2.兩個面的交界處應作出圓角，在壁厚相差超過一倍作出過渡斜度。3.在拔模方向上設有鑄造斜度，鑄件上避免內凹形狀。2025/6/630鍛造（自由鍛）1.鍛件毛坯外形簡單，一般不允許有強肋。2.外形平直、對稱，避免錐形、楔形。3.不允許在交叉件內設凸臺。2025/6/631沖壓1.輪廓設倒圓，提高模具壽命。2.彎曲件最好形狀對稱，否則影響成形。3.各部分尺寸合比例，否則難以成形。2025/6/632焊接1.考慮焊接時操作方便。2.避免焊縫過分集中，以減小變形和防止裂紋。3.焊縫避免設在應力集中的地方。2025/6/633二、便于零件的機械加工（表1-10，p15）1.被加工面的尺寸和數(shù)量盡可能減少。2.加工面力求布置在同一平面，加工面和不加工面明顯分開。3.盡量統(tǒng)一同一零件上的切槽、圓角、鍵槽等。2025/6/634退刀槽、越程槽盲孔加工與設計斜面鉆孔加工與設計斜面鉆孔加工與設計2025/6/635三、便于零件的裝卸和可靠定位（表1-11，p17）1.要有足夠的安裝空間2.定位銷空盡可能鉆穿，便于取出與鐵屑的排出2025/6/6363.合理設計定位面4.定位面不宜過多2025/6/637§1-3機械設計中的標準化

定義：標準化就是要通過對零