第六章第六节机械结构设计

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1、1第六节第六节 材料的选择材料的选择一、材料选择应注意的主要问题一、材料选择应注意的主要问题 针对具体的应用条件选择合适的机械零件材料时，针对具体的应用条件选择合适的机械零件材料时，需要考虑的主要问题有三：需要考虑的主要问题有三：所选材料的特性和在所选材料的特性和在承载或温度或其它环境因素变化条件下的行为能否承载或温度或其它环境因素变化条件下的行为能否满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力，常括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力，常常表现为承载能力的问题；常表现为承载能力的问题；所选材料是否容易加所选

2、材料是否容易加工，适合所设计的零件的可能的加工条件，这是材工，适合所设计的零件的可能的加工条件，这是材料的加工工艺性能问题；料的加工工艺性能问题；用所选材料制成的零件，用所选材料制成的零件，其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问题。题。2()材料的工作能力问题材料的工作能力问题 1、不同零件所要求的材料使用主要有：、不同零件所要求的材料使用主要有： 强度、刚度、耐磨性、美观的要求。强度、刚度、耐磨性、美观的要求。2、选材时首要任务：准确地判断零件所要求的主要

3、使用性能。、选材时首要任务：准确地判断零件所要求的主要使用性能。3、零件工作情况、工作条件的分析：、零件工作情况、工作条件的分析：1）分析零件工作所承受载荷的类型、大小、方向，以及随时）分析零件工作所承受载荷的类型、大小、方向，以及随时间的变化，包括冲击性载荷与振动载荷等；间的变化，包括冲击性载荷与振动载荷等；2）摸清由载荷引起的零件内力反应，变形和应力，以及它们）摸清由载荷引起的零件内力反应，变形和应力，以及它们的分布与集中情况等。在此基础上分析零件可能的失效形式，的分布与集中情况等。在此基础上分析零件可能的失效形式，并从防止失效出发，明确对材料使用性能的要求。并从防止失效出发，明确对材料使

4、用性能的要求。3）零件的工作环境因素，如温度和介质的性质）零件的工作环境因素，如温度和介质的性质(如盐雾如盐雾)和对和对材料的特殊性能。如绝缘性、导电性、磁性、导热性、热膨胀材料的特殊性能。如绝缘性、导电性、磁性、导热性、热膨胀特性等的要求，也是选择零件材料时的重要使用性能依据。特性等的要求，也是选择零件材料时的重要使用性能依据。3(二二)材料的工艺性能的问题材料的工艺性能的问题选择零件的材料时，对材料的工艺性能要比使用性能处选择零件的材料时，对材料的工艺性能要比使用性能处于次要地位但也是于次要地位但也是个重要的考虑因素它关系列零个重要的考虑因素它关系列零件的制造是否可能、难易和经济。件的制造

5、是否可能、难易和经济。金属零件的工艺路线大体分为三类：金属零件的工艺路线大体分为三类：1力学性能要求不高的一般零件力学性能要求不高的一般零件 毛坯毛坯正火或退火正火或退火机械加工机械加工零件。零件。 毛坯一般用铸铁或碳钢。如果采用型材直接加工成零毛坯一般用铸铁或碳钢。如果采用型材直接加工成零件，则因材料出厂前已经过退火及正火，就不必再经过件，则因材料出厂前已经过退火及正火，就不必再经过热处理了。这类零件由于对力学性能要求不高，一般用热处理了。这类零件由于对力学性能要求不高，一般用比较普通的材料，其加工性能都很好。比较普通的材料，其加工性能都很好。4 2力学性能要求较高的一般零件力学性能要求较高

6、的一般零件 毛坯毛坯正火或退火正火或退火粗加工粗加工最后热处理最后热处理(淬火、回火淬火、回火或渗碳处理等或渗碳处理等) 精加工精加工 预先热处理中的正火预先热处理中的正火(低、中碳钢低、中碳钢)或退火或退火(中、高碳钢中、高碳钢)的主要作用是消除组织缺陷和改善机械加工性能，例如的主要作用是消除组织缺陷和改善机械加工性能，例如各种合金钢、高强度合金制造的齿轮轴等均采用这种工各种合金钢、高强度合金制造的齿轮轴等均采用这种工艺。艺。3 要求较高的精密零件要求较高的精密零件 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要求有相这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要求有相当高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。

7、由于加工工艺一当高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。由于加工工艺一般比较复杂，性能与尺寸要求很高，零件所用材料的工般比较复杂，性能与尺寸要求很高，零件所用材料的工艺性能应充分保证。艺性能应充分保证。5 此外，选择材料时，根据毛坯制造工艺要考虑材料的锻造性此外，选择材料时，根据毛坯制造工艺要考虑材料的锻造性能、铸造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要选用低能、铸造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要选用低碳钢。碳钢。以上以金属材料为例的注意各项，对塑料等材料的选用也是以上以金属材料为例的注意各项，对塑料等材料的选用也是基本适用的。基本适用的。(三三)材料的经济性问题材料的经济性问题 材料的经济性

8、不仅是指材料本身价格应便宜，更重要的是材料的经济性不仅是指材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选用的材料来制造零件时。有助于产品的总成本降至采用所选用的材料来制造零件时。有助于产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家资源状况和供应情况等。最低，同时所选材料应符合国家资源状况和供应情况等。6二、常用材料二、常用材料机械结构常用材料有铸钢、钢、铸铁、球墨铸铁、有色金属、机械结构常用材料有铸钢、钢、铸铁、球墨铸铁、有色金属、非金属材料和复合材料等。非金属材料和复合材料等。1、铸钢、铸钢铸钢主要用于制造承受重载的大型零件。由于内部组织不如铸钢主要用于制造承受重载的大型零件。由于内部组织不如轧制或锻

9、造钢件，其强度略低于普通锻钢但其杭弯强度约轧制或锻造钢件，其强度略低于普通锻钢但其杭弯强度约为灰铸铁的二倍，抗压强度相当，抗扭强度约高为灰铸铁的二倍，抗压强度相当，抗扭强度约高50其减其减震性和减摩性均较灰铸铁略差。目前大都采用正火、回火作震性和减摩性均较灰铸铁略差。目前大都采用正火、回火作为最终热处理。按用途可分为一般用途的普通碳素铸钢、低为最终热处理。按用途可分为一般用途的普通碳素铸钢、低合金铸钢、耐腐蚀铸钢和耐热铸钢等特殊用途铸钢。其中碳合金铸钢、耐腐蚀铸钢和耐热铸钢等特殊用途铸钢。其中碳素铸钢应用最广，占铸钢总产量的素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80以上。以上。低碳素铸钢有良好的导磁性

10、，常用于铸造电磁吸盘和电机壳低碳素铸钢有良好的导磁性，常用于铸造电磁吸盘和电机壳体以及各种形状的机件，如机座、变速箱壳等。中碳素铸钢体以及各种形状的机件，如机座、变速箱壳等。中碳素铸钢的综合的机械性能比较全面，广泛应用于铸造重要的机械零的综合的机械性能比较全面，广泛应用于铸造重要的机械零件如轧钢机机架、机车车架、重型齿轮、联轴器等。高碳素件如轧钢机机架、机车车架、重型齿轮、联轴器等。高碳素铸钢因韧性较差，很少应用。铸钢因韧性较差，很少应用。7不锈耐酸铸钢可用于石油、化工、原子能工业中的流体机不锈耐酸铸钢可用于石油、化工、原子能工业中的流体机械的零件，如泵壳、阀、叶轮、水轮机转轮或叶片、螺旋械的

11、零件，如泵壳、阀、叶轮、水轮机转轮或叶片、螺旋桨、离心铸件等。桨、离心铸件等。一般工程用国产铸钢有五种牌号，其力学性能见表一般工程用国产铸钢有五种牌号，其力学性能见表6l 682、钢、钢钢是机器制造中用得最广钢是机器制造中用得最广泛的材料，常用的钢材有泛的材料，常用的钢材有碳素钢、合金钢，品种较碳素钢、合金钢，品种较多。选择钢材时，除了零多。选择钢材时，除了零件的使用要求外，还必须件的使用要求外，还必须考虑材料的热处理性能和考虑材料的热处理性能和机械加工性能。机械加工性能。1）钢的分类：）钢的分类：在碳素钢的基础上，根据在碳素钢的基础上，根据不同要求再加人各种元素不同要求再加人各种元素如如Ni