Ch01機械設計總論

機械設計學時：54（理論學時：48，實驗學時：6）學分：3面向專業(yè)：農業(yè)機械化及其自動化機械設計制造及其自動化先修課程：工程力學、機械原理、機械制圖、工程材料等

課程性質：必修主講：李顯昌E-mail：xianchangli2004@126.comMobilePhone15154505580一、參考書目[1]吳宗澤、高志主編.《機械設計》（第2版），北京：高等教育出版社2009年1月。[2]黃靖遠等.《機械設計學》，北京：機械工業(yè)出版社，2006。[3]《機械設計》濮良貴主編，高教出版社。二、網絡資源[1]機械設計精品課.河北理工大學./doc/2005/jxsjnew/jiaoxuedagang.html[2]機械設計精品課程.九江學院./jxxy/html/xkjs/kcdg.html[3]機械設計.華北水利水電學院精品課程/jxsj/第一章機械設計總論6）了解機械零件常用材料及選用原則。基本要求：1）了解零件的概念、種類；2）了解機械設計的方法和基本程序，機械設計應滿足的基本要求；3）了解本課程的研究對象、內容、課程的性質、任務、特點及學習方法；4）掌握與機械零件失效形式對應的設計準則；5）了解機械零件的標準化、系列化、通用化；1、失效形式和計算準則。2、機械零件的常用材料及熱處理選擇。重點與難點：§1-1引言§1-1機械設計概述機械工業(yè)的生產水平是一個國家現(xiàn)代化建設的重要標志。機械工業(yè)肩負著為國民經濟各個部門提供裝備和促進技術改造的重任。大量地設計制造和廣泛采用各種先進的機器，可大大促進國民經濟發(fā)展的力度，加速我國的現(xiàn)代化建設。產品的創(chuàng)新首先是從設計工作開始的。設計是生產產品的第一道工序，要想生產出好的產品，首先要有好的設計。

物質生產是人類社會生存發(fā)展的基礎。機械工業(yè)為人類的物質生產提供各種技術裝備。機械設計是機械工程的“靈魂”。潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)原動機傳動裝置執(zhí)行機構/工作機構控制系統(tǒng)一、機器的組成

任何機械設備都是由許多機械零部件組成的，也都是以各個零件為基本單元加工制造的。機械零件——機械制造過程中不可分拆的最小單元

。機械零件通用零件——機械制造過程中為完成同一目的而由若干協(xié)同工作的零件組合在一起的組合體。例如：軸承，聯(lián)軸器。機械部件機器傳動件聯(lián)接件支承件其它—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺栓、鍵、花鍵—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機架專用零件各種機器中常用的。(本課程主要學習對象）只在某些特定的機器中才用到。（在有關專業(yè)課中學習）—水輪機葉片、活塞、曲軸

機器是由機械零件組成的整體，各個零件之間有緊密聯(lián)系。學習時應有整體的設計觀念。注：本課程中，機械零件泛指零件和部件。二、機械設計的方法和基本程序（一）機械設計的方法：內插式設計在現(xiàn)有的兩個具有大小不等設計參數(shù)的設計方案之間所作的設計。這是最常用的設計方法。外推式設計全部或部分設計參數(shù)超出現(xiàn)有設計范圍時所作的設計。此種設計必須對外推部分的設計進行必要的技術研究、理論探索和科學實驗。開發(fā)性設計為了開發(fā)具有新功能的新機器，應用新原理、新技術所作的設計。（二）機械設計基本程序：明確設計任務方案設計技術設計試制評價、定型投產◆計算說明書（對關鍵零部件進行必要的計算）技術設計階段的輸出：◆總體規(guī)劃（機器總體布置方案，產生總裝配圖）◆零、部件設計（主要部件裝配圖和非標準零件工作圖）（三）機械設計總體過程：設計任務調查研究開發(fā)計劃書試驗研究

技術設計樣機試制、實驗技術經濟評價生產設計小批試制正式投產銷售服務調查決策階段研究設計階段試制階段投產銷售階段（四）機械零件設計的一般步驟：選擇零件類型、結構

計算零件上的載荷確定計算準則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結構設計校核計算畫出零件工作圖寫出計算說明書三、機械設計的基本要求★功能要求機械產品必須具有設計任務書中規(guī)定的功能。工作原理正確，原動機選用適當，執(zhí)行機構、傳動裝置設計、制造和選用合理。★可靠性要求機械產品在預期的使用期限內，能夠安全可靠地工作。設計時需要進行強度、剛度、壽命等方面的計算。★經濟性要求機械產品的經濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中。設計制造低成本，使用生產效率高，能源、材料消耗少以及管理、維護費用低?！锷鐣砸髾C械產品不應對人、環(huán)境和社會造成不良影響。四、設計者應具備的基本素質掌握并能合理應用設計機械所需的各種知識具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力◆具有認真細致、一絲不茍的工作作風?！艟哂袌F隊協(xié)作精神。機構的運動、動力分析；機構、零件的選型和設計；圖樣的繪制；機械加工制造過程以及工程材料等方面的基礎知識。機械產品的創(chuàng)新完全依賴于設計者的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力是一個設計者所必備的最重要的素質。一個很小的設計錯誤，也可能在制造中造成巨大浪費，在使用中導致嚴重的事故。（一）機械設計課程的性質：§1-2

機械設計課程簡介一、本課程的性質、任務和內容本課程是一門重要技術基礎課，培養(yǎng)機械設計能力，研究機械裝置和機械系統(tǒng)的設計問題。綜合運用以前學過的理論力學、材料力學、機械制圖、工程材料等專業(yè)基礎知識，學習機械設計的基礎知識、基本理論以及基本設計方法，訓練和提高機械設計能力，為機械設計專業(yè)課程的進一步學習和綜合運用打下堅實的基礎。作用（二）機械設計課的主要任務：通過課堂理論學習、課程設計及實驗等教學環(huán)節(jié)，完成任務：1）掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力。2）樹立正確的設計思想和創(chuàng)新意識，具有一定的機械設計創(chuàng)新能力。3）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱相關技術資料的能力。4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓練。5）關注國家當前的有關技術政策，并對機械設計的新發(fā)展有所了解。（三）機械設計課的主要內容：其他部分：機械設計常用的一些基礎理論和通用機械零件在常用參數(shù)范圍內的基本設計方法。具體包括：本課程介紹通用零件的傳統(tǒng)的基本設計方法，是從事機械設計工作的基礎，也是進一步學習各種新設計方法的基礎。基礎理論部分：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、形面聯(lián)接、過盈聯(lián)接以及鉚、焊、粘接等。螺紋傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及鏈傳動。軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器和離合器等。機械設計總論、機械零件的疲勞強度計算和摩擦學的基礎知識等?！袈?lián)接部分：◆傳動部分：◆軸系部分：彈簧。二、本課程的特點和學習方法

涉及面廣關系多─與諸多先修課關系密切。要求多─設計一個機器或零件時，應同時滿足強度、剛度、耐磨性、工藝、壽命等各方面的要求。門類多─典型的通用零件多、類型多；各類零件，設計方法各有不同。公式多─除了定義式以外，對于大多數(shù)公式著重于公式的應用，不強調公式的推導。圖表多─要求能看懂、會用，了解適用的范圍和變化趨勢。

實踐性強─內容接近工程實際，盡量走實際設計程序，要注重多觀察、多實踐，逐步積累完整設計過程的經驗。

設計工作無小事——設計工作必須詳盡，細小的疏忽也會導致嚴重事故。

設計問題無統(tǒng)一答案─要注意發(fā)展求異思維。本課程的特點

需注意的幾個問題

著重學習零件的設計方法以及零件參數(shù)的合理選擇。掌握理論分析和計算外，更應重視零件的材料選擇、類型選擇、參數(shù)選擇以及結構設計、工藝性等內容。

──設計決非只是計算。

性能要求與經濟性的協(xié)調

──永遠是一對矛盾，應學會合理地解決這一對矛盾。

經驗設計與現(xiàn)代設計方法的選擇

──二者均重要，前者是后者的基礎。注意的問題

補充內容工藝性零件工藝性良好的標志：

在具體的生產條件下，零件便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。制備方法單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。應用于大批量生產。用型材焊接鍛造鑄造沖壓

工藝（technology）：使各種原材料、半成品加工成為產品的方法和過程（process）。2)結構簡單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；▲盡量采用標準件。▲盡量使用相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質量。0.0120.0250.06.312.52550100

用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精

粗刨削鉆孔鉸孔精

粗鏜孔精

粗車精

粗磨精

粗研磨滾、銑精

粗

一般情況下Ra愈小，零件的加工成本愈高。4)盡量減小零件的加工量▲毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使用少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本?！M量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。欲設計出工藝性良好的零件，設計者必須虛心向工藝技術人員和一線工人學習，在實踐中積累經驗。金屬材料的工藝性能粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛

坯預先熱處理零

件切削加工最終熱處理

金屬零件的加工工藝路線高分子材料的工藝性能

高分子材料的加工工藝路線有機物原料或型材成形加工切削加工零

件熱處理、焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等陶瓷材料的工藝性能粉末成

形

加

工配料壓制燒結磨削加工零件熱處理陶瓷材料的加工工藝路線§1-3機械零件的計算準則一、幾個名詞：1）失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。注意：a)失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。

機械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。

b)同一種零件可能的失效形式往往有若干種。

例如：軸在工作中可能產生斷裂、過大彈性變形、共振等失效。2）工作能力：即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力。3）承載能力：對載荷而言的工作能力。（即用載荷表示的工作能力）載荷和應力1為了防止機械零件在工作中產生失效，設計時，需要以零件的工作能力計算準則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有兩種：

5）設計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結構尺寸。

6）校核計算：先確定零件的結構尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。

4）工作能力計算準則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應滿足的條件。（即機械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設計零件時的理論依據(jù)）。機械零件失效與分析

每種機器零件都具有一定的功能——或完成規(guī)定的運動，或傳遞力、力矩或能量。當零部件喪失預定的功能時，即發(fā)生了零件的失效。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認為零件已經失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作零件嚴重損傷，不能保證工作安全零件雖能安全工作，但工作低效（一）零件失效的基本形式

零件的失效形式比較復雜，根據(jù)零件破壞的特點、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效（二）失效分析的主要作用及改進過程服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗實驗室試驗提高零件失效抗力加強管理改進工藝提高主要抗力指標改進設計工

藝使

用材

料設

計失效分析的主要方法1、無損檢測無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產生的缺陷和裂紋用無損探傷法進行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、斷口分析

斷口分析是對斷口進行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質和機理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口

失效分析要利用宏觀和微觀的研究手段進行系統(tǒng)的分析，揭示零件失效的根本原因。3、金相分析通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。4、化學分析檢驗材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設計要求。5、力學分析檢查分析失效零件的應力分布、承載能力以及脆斷傾向等。二、載荷和應力1載荷由于運動中產生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。

靜載荷變載荷●按是否隨時間變化，載荷分為：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不考慮動載荷的影響）計算載荷＝載荷系數(shù)K×名義載荷。（代表機器或零件實際所受載荷）●按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：

載荷系數(shù)K：用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響。額定載荷：由原動機的額定功率推算出的載荷。載荷和應力22應力應力靜應力循環(huán)應力smax─最大應力；smin─最小應力sm─平均應力；sa─應力幅值r─應力比（循環(huán)特性）循環(huán)應力五個重要參數(shù)兩個重要關系載荷和應力3對稱循環(huán)應力脈動循環(huán)應力常見的循環(huán)應力對稱循環(huán)應力r=-1、sm＝0

脈動循環(huán)應力

r=0、smin＝0靜應力r=1靜應力（可看作是循環(huán)應力的一個特例）注：靜應力只在靜載荷作用下產生，循環(huán)應力可由變載荷產生，也可由靜載荷產生。另外，應力還分為名義應力：根據(jù)名義載荷求得的應力計算應力：根據(jù)計算載荷求得的應力強度準則（一）強度準則強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。強度條件有兩種表示方法：1）用應力表示：≤＝2）用安全系數(shù)表示：≥＝式中：—計算最大應力—極限應力—計算安全系數(shù)—許用應力—許用安全系數(shù)注：對于切應力，只須將上述各公式中的換成即可。三、機械零件的計算準則

低碳鋼的力-伸長曲線

圖1.1低碳鋼的拉伸曲線圖（1）oe──彈性變形階段（2）es──屈服階段（3）sb──均勻塑性變形階段（4）bk──縮頸階段45鋼鋁青銅35鋼硬鋁純銅強度指標金屬材料的強度是用應力來度量的。常用的強度指標有屈服點和抗拉強度。

(1)屈服點σs在拉伸過程中,載荷不增加,試樣還繼續(xù)發(fā)生變形的最小應力(MPa)。σs=Fs/A0對于沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的金屬材料，產生規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。σ0.2=F0.2/S0

(2)抗拉強度σbσb=Fb/A0選用原則：若不允許發(fā)生過量的塑性變形，以屈服強度σS、σ0.2為依據(jù)；若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，以抗拉強度σb來設計。金屬材料在拉斷前所承受的最大應力(MPa)疲勞強度

工程上規(guī)定,材料經無數(shù)次重復交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應力稱為疲勞強度，用表示。

材料的疲勞強度與其合金化學成分、內部組織及缺陷、表面劃痕及零件截面突然改變等有關。圖1.5疲勞曲線曲線表明材料受的交變應力越大,則斷裂時應力循環(huán)次數(shù)(N)越少,反之,則N越大。

雖然零件所受應力遠低于材料的屈服點,但在長期使用中往往會突然發(fā)生斷裂,這種破壞過程稱為疲勞斷裂。硬度硬度是指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力,即金屬材料抵抗局部塑性變形或破壞的能力。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。圖1.2布氏硬度試驗原理圖圖1.3洛氏硬度試驗原理圖

塑性塑性是金屬材料在載荷作用下產生塑性變形(或永久變形)而不斷裂的能力。常用塑性指標是斷面收縮率ψ拉伸試樣拉斷后試樣截面積的收縮率ψ為ψ=[(A0-A1)/A0]×100%斷后伸長率δ拉伸試驗試樣拉斷后,標距長度的相對伸長值δ=[(l1-l0)/l0]×100%沖擊韌度圖1.4沖擊試驗示意圖1——擺錘2——試樣

沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力,通常用一次擺錘沖擊試驗來測定。

沖擊吸收功(AK)除以試樣缺口處的截面積S0,即可得到材料的沖擊韌度。αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0

沖擊韌度αK值愈大,表明材料的韌性愈好,受到沖擊時不易斷裂。靜應力下的強度1靜應力下的強度在靜應力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料單向應力狀態(tài)下：，復合應力狀態(tài)下：按第三或第四強度理論計算當量應力。脆性材料單向應力狀態(tài)下：，復合應力狀態(tài)下：按第一強度理論計算當量應力。機械零件的計算準則注：1）對于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計算靜強度時，可不考慮應力集中的影響。

2）對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應考慮應力集中的影響。2循環(huán)應力下的強度計算變應力下的強度時，應取疲勞極限（詳見第二章）。

3許用安全系數(shù)

合理選擇許用安全系數(shù)是設計中的一項重要工作。過大，則機器會過于笨重；過小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。的取值主要受下列因素的影響

1）

計算的準確性；

2）材料的均勻性；

3）零件的重要性。4表面接觸疲勞強度

對于高副零件，理論上是點、線接觸，但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處接觸強度2局部會產生很高的應力，這樣的應力稱為表面接觸應力，用表示。的大小用赫茲公式計算：機械零件的計算準則

實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應力作用，脫離嚙合時不受應力作用。

在接觸循環(huán)應力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為：≤接觸循環(huán)應力作用下的失效形式是：疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕的危害：

1）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。

2）減小零件的有效工作面積。高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產生的局部應力卻很大。該應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強度稱為接觸強度計算依據(jù)：彈性力學的赫茲公式

（1）接觸應力a)兩圓柱體接觸機械零件的接觸強度b)兩球接觸ρ——綜合曲率半徑說明：1）圓柱體，球σHmax與F不呈線性關系3）同樣的ρ1、ρ2下，內接觸時ρ較大，σHmax較小，約為外接觸時的48%

重載情況下，采用內接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。

（2）失效形式

靜應力:表面壓碎——脆性材料,

表面塑性變形——塑性材料變應力：疲勞點蝕——齒輪、滾動軸承的常見失效形式。2）圓柱體，球

ρ越大，σHmax越小（3）提高接觸疲勞強度的措施

1）控制最大接觸應力

2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質量

3）增大綜合曲率半徑ρ4）改外接觸為內接觸，點接觸→線接觸

5）采用高粘度潤滑油

擠壓強度及剛度準則機械零件的計算準則5表面擠壓強度

兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面上產生的應力稱為擠壓應力，用表示。在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為：

≤［］擠壓應力作用下，接觸面的失效形式是——“壓潰”。注：相互擠壓表面上的擠壓應力相等。（二）剛度準則

剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為產生過大的彈性變形而失效。

例如：機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。剛度準則及振動穩(wěn)定性機械零件的計算準則剛度條件為：實際變形量≤［許用變形量］式中：實際變形量可用相關理論計算或由實驗方法確定。［許用變形量］——是保證正常工作所允許的變形量。注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。

2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。（三）振動穩(wěn)定性準則

當作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動頻率（固有頻率）時，便發(fā)生共振，導致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。振動穩(wěn)定性準則：使零件的自激振動頻率f遠離外力變化的頻率。即＜0.85f

或＞1.15

f耐磨性計算

（四）摩擦學準則（耐磨性計算）

滑動摩擦下工作的零件，常因過度磨損而失效。但由于影響磨損的因素很多且比較復雜，到目前為止尚無完善的磨損計算方法。通常進行條件性計算，通過限制影響磨損的主要因素（壓強p、滑動速度v和pv值）來防止產生過大磨損。

滑動速度低，載荷大時，p≤［p］滑動速度較高時，p≤［p］，且pv≤［pv］高速時，p≤［p］，pv≤［pv］且v≤［v］注：限制

值就是間接的限制因摩擦而產生的熱量，防止溫度過高。運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。磨損類型：

機械零件的耐磨性4、腐蝕磨損：化學反應和電化學反應造成的磨損。3、疲勞磨損（點蝕）：載荷重復作用使表層金屬小片脫落2、粘著磨損（膠合）：接觸面材料由一個表面轉移到另一個表面。1、磨粒磨損：硬質顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗逶谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象（五）溫度對機械零件工作能力的影響為防止?jié)櫥Мa生過大磨損或發(fā)生膠合現(xiàn)象，設計摩擦副零件時，需進行熱平衡計算。熱平衡時的工作溫度t不許超過許用溫度[t]，即

t≤[t]當金屬溫度超過某一數(shù)值（鋼為300～400℃，輕合金為100～150℃）時，其強度將急劇下降。

在高溫下工作的機械零件應采用耐高溫材料制造，如耐熱合金鋼、金屬陶瓷等。在低溫下，鋼的強度有所提高，但其韌性會明顯降低而變脆，且對應力集中的敏感性增大。而有色金屬在低溫下一般不會變脆，其強度和塑性還會有所提高。

低溫設備常用有色金屬材料制造。

§1-4機械零件常用材料和選擇原則一、機械零件的常用材料

1、黑色金屬

鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（含碳量小于2%的鐵碳合金）鑄鋼——鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差碳鋼與合金鋼——應用最廣泛2、有色金屬a)鋁合金——重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強度鋁合金強度可與碳素鋼相近b)銅合金——黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn的合金無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復合材料銅合金是良好的耐蝕材料和減摩材料

3、非金屬材料塑料——輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普通機械零件、絕緣體陶瓷——電熱性好，硬度高橡膠——彈性、絕緣性好，常用作彈性元件和密封元件、減震元件4、復合材料二、機械零件材料選用的原則

選擇材料主要應該考慮使用要求、工藝要求和經濟性要求：1、使用要求使用要求一般包括：零件的載荷和工作情況，對零件尺寸和重量的限制，零件的重要程度等。纖維復合材料層疊復合材料顆粒復合材料骨架復合材料應用最多，主要制薄壁壓力容器。按使用要求選擇材料的一般原則：若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應選用強度較高的材料。當零件尺寸取決于接觸強度時，應選用表面強化處理材料，如調質鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等?；瑒幽Σ料鹿ぷ鞯牧慵?，應根據(jù)工作需要選擇摩擦材料、減摩材料或耐摩材料。高溫下工作的零件應選用耐熱材料。在腐蝕介質中工作的零件應選用耐蝕材料等。2、工藝要求零件形狀和尺寸對工藝和材料也有一定要求：形狀復雜、尺寸較大的零件難以鍛造，而采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能（鑄造的液態(tài)流動性、產生縮孔或偏析的可能性）或焊接性能（材料的焊接性和產生裂紋的傾向性）。生產批量大小對所用工藝和材料也有要求：小批量或單件生產，可以采用焊接；批量生產時采用鑄造或鍛造，而對于鍛造，小批量生產時可采用自由鍛，大批量生產時可采用模鍛。大批量生產的零件，應考慮所選材料的可加工性。采用特殊熱處理工藝的零件，還需考慮材料相應的熱處理性能，如淬硬性、淬透性、變形開裂傾向性，回火脆性等。壁厚均勻、過渡平緩；鑄件結構要求適當?shù)慕Y構斜度和拔模斜度；各個面交界處的過渡圓角；受力點加強筋1.鑄造性能（流動性、收縮、偏析傾向）鑄造鋁、銅合金>鑄鐵（灰口）>鑄鋼（共晶點附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓3.焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）>銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質量）5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產生缺陷的傾向）淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等可加工性3、經濟性要求在滿足使用要求的前提下，盡可能選用價格低廉的材料制造零件。對于加工量很大的小型零件，加工費用在零件總成本中占有很大比重，零件的工藝性是影響經濟效果的主要因素。根據(jù)局部品質原則，采用復合材料，在不同部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理方法，使各局部要求分別得到滿足，從而降低對整體材料的要求。局部品質也可以采用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面碾壓等方法，使所用材料的局部品質得到提升。影響經濟性的主要因素是材料的相對價格、材料的利用率、零件結構和工藝性等。我國常用金屬材料的相對價格材

料相對價格材

料相對價格普通碳素結構鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結構鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質碳素結構鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結構鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結構鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質合金150~200（工程塑料）5~15（四）環(huán)境與資源原則1.能源和資源消耗少世界能源儲藏量石油天然氣煤鈾可開采儲量9970億桶138萬億m31，039，272噸200萬噸可開采年限45.5年64年219年74年主要產地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳

>70%重要金屬的世界儲量儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147512.環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金Eρ/b24145100~500475-1002710-1029E──生產每公斤材料的能耗

ρ──材料密度

b──抗拉強度生產各種材料消耗的能量及碳的排放量◆機械零件的標準化——通過對零件尺寸、結構要素、材料、檢驗方法、設計方法、制圖等方面的要求，制定出各式各樣的標準，以供廣大設計者在設計工作中共同遵循。◆系列化——對同一產品，為了滿足不同的使用要求，在基本結構或基本尺寸相同的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產品，構成一個產品系列?！敉ㄓ没谙盗挟a品內部或在跨系列的產品之間采用同一結構和尺寸的零部件。螺栓、鍵、滾動軸承、減速器等許多通用零部件都已實行了標準化、系列化。而有些零件部分主要尺寸也實行了標準化和系列化，如齒輪的模數(shù)、蝸桿的分度圓直徑等。機械零件的標準化、系列化和通用化簡稱“三化”。§1-5

機械零件的標準化、系列化、通用化一、幾個概念：機械零件“三化”的意義：可減輕設計工作量，縮短設計周期，有利于設計人員將主要精力用于關鍵零部件的設計。便于建立專門工廠采用先進技術進行大規(guī)模生產。有利于合理使用原材料，縮短生產周期，降低成本，提高生產率和產品質量。可提高互換性，便于維修，并有利于回收再利用。便于改進和增加產品品種。

“三化”程度的高低是評定機械產品的指標之一，也是我國現(xiàn)行很重要的一項技術政策。目前我國實行的標準分為國家標準、部頒標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準等。在世界范圍內通用的是國際標準（ISO）。

ISO——InternationalOrganizationforStandardization標準化基本特征：統(tǒng)一、簡化。標準層次：國家標準、行業(yè)標準、地方標準、企業(yè)標準。標準化是組織社會化大生產的重要手段，是實施科學管理的基礎，也是對產品設計的基本要求之一。標準性質：強制標準（GB）----必須強制執(zhí)行；推薦性標準（GB/T）----鼓勵企業(yè)自愿采用。

作為設計人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相