ch01机械零件的常用材料和结构工艺性

第1章机械零件的常用材料和结构工艺性本章主要内容：§1-1机械零件的常用材料及其选用§1-2机械零件的结构工艺性§1-3机械设计中的标准化一、机械零件的常用材料复合材料钢铁材料非铁合金（有色金属/如铜、铝钛及其合金等）非金属材料§1-1机械零件的常用材料及其选用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、钢铁碳合金（C2%）用途化学成分碳素钢低合金钢合金钢1）普通碳素结构钢表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Q:屈服点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：两位数字，表示钢含碳的质量分数为万分之几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3）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、联轴器等重要机件主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等2、铸铁铁碳合金（C2%）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3、有色金属1)铜及铜合金——黄铜：Cu与Zn合金青铜：Cu与Sn的合金无锡青铜：Cu与铝、硅等的合金导电性、导热性、减摩耐磨性、耐腐蚀性良好2)铝及铝合金——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1）铜及铜合金表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2）铝及铝合金4、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。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二、钢的热处理简介1、热处理概念：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。退火正火淬火回火调质化学热处理2、常用的热处理方法时间温度加热保温临界温度淬火回火调质退火正火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：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。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调质即淬火和高温回火的综合热处理工艺。调质：调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。这类零件主要为各种机器和机构的结构件，如轴类、连杆、螺栓、齿轮等，在机床、汽车和拖拉机等制造工业中用得很普遍。尤其是对于重型机器制造中的大型部件，调质处理用得更多。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。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）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。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。碳氮共渗（氰化）又称软氮化或低温碳氮共渗,即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。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。三、选用材料的基本原则1、使用要求如零件的承载状况、工作条件、尺寸及重量、重要性以及导电性和抗磁性等特殊要求。从零件的制造等方面考虑3、经济性要求2、工艺要求——零件的结构在满足使用要求的条件下，能用较高的生产率、最小的劳动量、材料消耗最低的方法制造出来。机械零件的结构工艺性一、便于零件毛坯的制造二、便于零件的机械加工三、便于零件的装卸和可靠定位§1-2机械零件的结构工艺性一、便于零件毛坯的制造（表1-9，p16）铸造锻造（自由锻）冲压焊接二、便于零件的机械加工（表1-10，p19）盲孔加工与设计斜面钻孔加工与设计加工干涉退刀槽、越程槽三、便于零件的装卸和可靠定位（表1-11，p20）螺栓装配定位销孔装配的设计合理设计定位面定位面不宜过多§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数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准化意义：标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。基本特征：统一、简化。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGBJB、HBQB推荐性标准（GB/T）----鼓励企业自愿采用。标准性质：强制标准（GB）----必须强制执行；作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。