機械設(shè)計基礎(chǔ)第9章機械零件設(shè)計概論(六-1)

第9章機械零件設(shè)計概論§9-1機械零件設(shè)計概述§9-2機械零件的強度§9-3機械零件的接觸強度§9-4機械零件的耐磨性§9-5機械制造常用材料及其選擇§9-7機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系設(shè)計機器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：▲使用功能要求使用功能要求——機器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設(shè)計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。具體要求如下：▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求§9-1機械零件設(shè)計概述一、機械設(shè)計的基本要求經(jīng)濟性要求——機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，設(shè)計機器時就要全面綜合地進行考慮。設(shè)計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護費用等?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求提高設(shè)計和制造經(jīng)濟性指標(biāo)的主要途徑有:1）采用先進的現(xiàn)代設(shè)計方法(CAD)，使設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化,達到盡可能精確的計算結(jié)果,保證機器足夠的可靠性。2）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零、部件。(參見P132~133§9-7）3）盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。4）合理地組織設(shè)計和制造過程。5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產(chǎn)率。提高使用經(jīng)濟性指標(biāo)的主要途徑有:2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。3）適當(dāng)?shù)夭捎梅雷o及潤滑，以延長機器的使用壽命。4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。1)要使機器的操作者方便和安全。因此設(shè)計時要按照人機工程學(xué)的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習(xí)慣。同時，設(shè)置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設(shè)計的機器應(yīng)符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉(zhuǎn)時的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求機器的可靠度——指在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。機器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求其它專用要求——針對不同機器所特有的要求。例如：1)對機床有長期保持精度的要求；2)對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊?。▲使用功能要求▲?jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求1.機械零件的失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。例如：發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。整體斷裂;過大的殘余變形;工作表面的過度磨損或損傷;破壞正常的工作條件;零件的失效形式如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為二、常用術(shù)語§9-1機械零件設(shè)計概述一、機械設(shè)計的基本要求機械零件失效的實例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。統(tǒng)計結(jié)果顯示：斷裂僅占4.79%;

腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。（主要失效原因）潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損1.機械零件的失效：二、常用術(shù)語§9-1機械零件設(shè)計概述一、機械設(shè)計的基本要求2.工作能力(承載能力)對零件壽命、使用價值起決定性作用的是其中較小的一個工作能力。

——在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。3.設(shè)計準(zhǔn)則為防止失效而制定的判定條件?！鴱姸葴?zhǔn)則▲

剛度準(zhǔn)則設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：▲

壽命準(zhǔn)則▲

振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則▲

可靠性準(zhǔn)則---確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則。----確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。---通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。----高速運轉(zhuǎn)機械的設(shè)計應(yīng)注重此項準(zhǔn)則。----當(dāng)計及隨機因素影響時，仍應(yīng)確保上述各項準(zhǔn)則。強度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。一）強度準(zhǔn)則

即：σ

≤

σlimσlim

----材料的極限應(yīng)力脆性材料：σlim

=σB(強度極限)塑性材料：σlim

=σS(屈服極限)為了安全起見，引入安全系數(shù)S，得：σ

≤

σlim/S或σ

≤[σ]S為大于1的數(shù)，S過大，雖安全但浪費材料；S過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。——許用應(yīng)力二）剛度準(zhǔn)則

指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即：y

≤[y]

延伸率>5％延伸率<5％三）壽命準(zhǔn)則

影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。四）振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

保證機器中受激振零件的固有頻率f與激振源的頻率fp

錯開，即要求：0.85f>fp或1.15f<fp五）可靠性準(zhǔn)則可靠度的定義：對件數(shù)為N0的一批零件進行試驗，經(jīng)過時間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為：R=N

/N01.機械零件的失效：二、常用術(shù)語§9-1機械零件設(shè)計概述一、機械設(shè)計的基本要求2.工作能力(承載能力)3.設(shè)計準(zhǔn)則4.設(shè)計計算校核計算三、機械零件的設(shè)計步驟見P115頁根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計零件形狀、尺寸的過程。先參照有關(guān)條件選定尺寸，再進行驗算。潘存云教授研制選擇零件類型、結(jié)構(gòu)寫出計算說明書畫出零件工作圖校核計算計算零件上的載荷確定計算準(zhǔn)則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計零件的設(shè)計流程圖：§9－2機械零件的強度（整體強度）一、載荷外力（F）、彎矩（M）、扭矩（T）1.作用于零件上的載荷：2.根據(jù)載荷的性質(zhì)不同分為:靜載荷、變載荷⑴名義載荷——理想條件下作用于零件上的載荷又稱為額定載荷⑵計算載荷=載荷系數(shù)（K）×名義載荷3.強度計算中有：K可查表。用于考慮零件所受各種附加載荷設(shè)計準(zhǔn)則：比較危險截面處的計算應(yīng)力是否小于零件材料的許用應(yīng)力。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制二、應(yīng)力的種類otσσ=常數(shù)脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力的循環(huán)特性:對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例§9-2

機械零件的強度一、載荷二、應(yīng)力的種類三、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力作用下，零件多產(chǎn)生斷裂或塑性變形▲塑性材料：S——安全系數(shù)。見P119頁▲脆性材料：注：變化緩慢的應(yīng)力可視為靜應(yīng)力四、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力機械中，大多數(shù)零件處于變應(yīng)力狀態(tài)下工作。潘存云教授研制變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。▲疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低;▲

疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;▲

疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。不管脆性材料或塑性材料，▲零件表層產(chǎn)生微小裂紋；疲勞斷裂過程：▲隨著循環(huán)次數(shù)增加，微裂紋逐漸擴展；▲當(dāng)剩余材料不足以承受載荷時，突然脆性斷裂。疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用壽命)有關(guān)的斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：▲

斷裂面累積損傷處表面光滑，而折斷區(qū)表面粗糙。表面光滑表面粗糙疲勞斷裂的特征：低應(yīng)力，脆性斷裂，突然破壞疲勞極限——指應(yīng)力經(jīng)過N次循環(huán)后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力四、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力此時：同時考慮應(yīng)力集中kσ

，絕對尺寸εσ

，表面狀態(tài)β等系數(shù)得許用應(yīng)力：對稱循環(huán)許用應(yīng)力脈動循環(huán)許用應(yīng)力典型機械的S可通過查表求得。無表可查時，按以下原則取：五、許用安全系數(shù)的選取

安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑→零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應(yīng)力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.5見P119頁潘存云教授研制潘存云教授研制§9－3

機械零件的接觸強度如齒輪、凸輪、滾動軸承等。B機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。潘存云教授研制潘存云教授研制

若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度。FFρ2

O2

ρ1

O1

ρ2

O2

ρ1

O1

FFω2

2bsHω1

變形量B接觸失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。潘存云教授研制潘存云教授研制b由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,則有簡化公式。上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσHE:綜合彈性模量潘存云教授研制σH——最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;b——接觸長度;Fn

——作用在圓柱體上的載荷;——綜合曲率半徑;——綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強度的判定條件為：bFn注意：兩零件之間的接觸應(yīng)力大小相等，方向相反。即：σH1

=σH2▲

摩擦--相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；▲

磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；▲

潤滑--減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域?！?－4

機械零件的耐磨性零件抗磨損的能力——耐磨性摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)機器的壽命磨損曲線磨合階段磨損量時間劇烈磨損階段穩(wěn)定磨損階段磨損過程大致如圖所示：

▲磨合階段----包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個過程。▲穩(wěn)定磨損階段----零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損。它標(biāo)志著磨擦條件相對穩(wěn)定。▲劇烈磨損階段----在經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運動副間隙增大引起額外的動載荷和振動。零件即將進入報廢階段。磨損的后果——降低機器的效率和可靠性，甚至促使機器提前報廢。設(shè)計機器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推遲劇烈磨損期的到來。它是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個壽命周期內(nèi)時間很短?！?－4

機械零件的耐磨性磨粒磨損

磨損的分類：疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型按磨損機理分按磨損表面外觀可分為點蝕磨損

膠合磨損

擦傷磨損

兩種不同的稱謂磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：磨粒磨損—也簡稱磨損，外部進入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就叫磨粒磨損。潘存云教授研制磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：粘附磨損—也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘附磨損。嚴(yán)重的粘附磨損會造成運動副咬死。潘存云教授研制磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：疲勞磨損—也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的機械磨損。點蝕過程：

產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴展→微粒脫落，形成點蝕坑。

潘存云教授研制磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：沖蝕磨損——流動的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表面所引起的機械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時，管道內(nèi)壁所產(chǎn)生的機械磨損是實例之一。。近年來，由于燃氣渦輪機的葉片、火箭發(fā)動機的尾噴管這樣一些部位的破壞，才引起人們對這種磨損形式的特別注意潘存云教授研制磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：腐蝕磨損——當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。磨損的機理：磨粒磨損

疲勞磨損

粘附磨損

沖蝕磨損

腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：微動磨損——是指摩擦副在微幅運動時，由上述各磨損機理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動。應(yīng)用實例：軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴取Ｄ湍バ杂嬎悖嚎刂颇ゲ帘砻嫔蠅簭姷拇笮?，衡量其耐磨性。P≤［P］許用壓強［P］可查各手冊此外：當(dāng)相對速度較高時，可考慮單位時間、單位接觸面積上的發(fā)熱量。PV≤［PV］PV——壓強與速度的乘積§9－4機械零件的耐磨性黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鑄鐵--灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。§9－5

機械制造常用材料及其選擇0.1%~0.2%0.3%~0.5%0.55%~0.7%＜2%＞2%黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。§9－5

機械制造常用材料及其選擇0.1%~0.2%0.3%~0.5%0.55%~0.7%潘存云教授研制鋼的選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表9－2常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）

1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）

3合金工具鋼（φ29~50）

3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）

5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應(yīng)充分我國資源豐富

黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅0.1%~0.2%0.3%~0.5%0.55%~0.7%零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬材料---塑料、橡膠、合成纖維。---強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕。橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

▲載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)▲零件的工作情況

▲零件的結(jié)構(gòu)及加工性

▲材料的經(jīng)濟性

▲零件的尺寸及重量

二、機械零件材料的選用原則

適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設(shè)計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復(fù)雜的工作。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。

選材的一般原則

脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度等。這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，應(yīng)在充分了解材料的機械性能的前提下來進行選擇。金屬材料的性能一般可以通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。塑性材料----適用于在有沖擊情況下工作的零件?！跐駸岘h(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。3.零件的尺寸及重量▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過大，一面在溫度變化時產(chǎn)生過大熱應(yīng)力或使配合松動，另一方面要考慮材料機械性能隨溫度而變化的情況?！慵诠ぷ髦锌赡馨l(fā)生磨損的表面，應(yīng)提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應(yīng)選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼?！描T造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；▲而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力?！鴳?yīng)盡可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量?！牧系募庸べM用;5.材料的經(jīng)濟性選材時還應(yīng)考慮到當(dāng)時當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)狀況。為了簡化供應(yīng)和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。6.材料的供應(yīng)狀況材料的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

▲材料本身的相對價格;▲材料的利用率;▲采用組合結(jié)構(gòu);▲節(jié)約稀有材料。各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量減少一臺機器所用材料的品種。潘存云教授研制表9-1常用鋼鐵材料的牌號及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類別牌號強度極限σB

屈服極限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200注：1.鑄鐵和鋼都是鐵碳合金2.區(qū)別主要在于含碳量不同含碳量小于2%的鐵碳合金稱為鋼含碳量大于2%的鐵碳合金稱為鑄鐵3.在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格便宜供應(yīng)充分的碳素鋼。4.必須采用合金鋼時，應(yīng)優(yōu)先選用我國資源豐富的硅、錳、硼、釩類合金鋼。思考題：1.鐵和鋼有何不同？2.鋼的種類有哪些？補充：鋼的熱處理知識簡介1.熱處理將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫及采用不同的冷卻方式，改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，而得到所需性能的一種操作工藝。作用：改善和提高各種機械性能，充分發(fā)揮材料的潛力，延長使用壽命，節(jié)約金屬材料。2.常用熱處理方法1）退火方法：將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻。目的：清除鑄、鍛、焊冷加工后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低材料硬度，以便切削加工。細化晶粒，改善組織結(jié)構(gòu)，提高毛坯機械性能。2）正火2.常用熱處理方法1）退火方法：將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，放在空氣中冷卻。目的：與退火相似，其冷卻速度比退火快。注：①退火與正火都可用于低、中碳鋼的預(yù)先熱處理。②由于正火比退火生產(chǎn)周期短，節(jié)約能源，所以在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先采用正火。3）淬火（通稱“蘸火”）方法：將鋼加熱到臨界點以上的溫度，保溫一段時間，放在水或油中快速冷卻。目的：提高鋼的硬度，耐磨性。2.常用熱處理方法1）退火2）正火3）淬火（通稱“蘸火”）4）回火方法：在淬火后，將鋼再加熱到某一溫度，保溫，放入空氣或油中冷卻。目的：消除鋼的內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，提高塑性、韌性?？蛇x擇不同的回火溫度，獲得不同的性能。注：①淬火后的零件必須進行回火。②回火基本上是熱處理的最后一道工序，決定了零件的使用性能和壽命。5）調(diào)質(zhì)方法：淬火＋高溫回火目的：獲得既有一定強度、硬度，又有良好沖擊韌性的綜合機械性能。2.常用熱處理方法1）退火2）正火3）淬火（通稱“蘸火”）4）回火5）調(diào)質(zhì)6）表面淬火方法：將零件表面迅速加熱到淬火溫度（高頻），立即用水噴到零件表面，急速冷卻。目的：提高表面硬度和耐磨性，保持心部不發(fā)生組織變化。應(yīng)用：中碳鋼、合金鋼調(diào)質(zhì)處理后進行表面淬火。表面淬火后，用低溫回火消除內(nèi)應(yīng)力。7）時效處理人工時效：粗加工后的半成品，在精加工前進行低溫回火，然后緩慢冷卻。效率高，但增加造價。自然時效：粗加工后的半成品，置于空氣中存放半年到一年，內(nèi)應(yīng)力逐漸削弱，便于精加工，效果好，但周期長，效率低。3.化學(xué)熱處理方法通過改變零件表層的化學(xué)成分，來改變表層組織和性能的方法。1.熱處理2.常用熱處理方法方法：將零件放在某種介質(zhì)中加熱，保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入零件表層，改變表面化學(xué)成份。目的：提高表面硬度常見有：滲碳、氮化、氰化總之，不論是哪一種熱處理，都包括加熱、保溫、冷卻這三個階段，只不過是加熱的溫度不同，保溫的時間長短不同，冷卻的形式不同。從而得到材料的不同機械性能。1.毛坯選擇合理§9-7

機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、工藝性