機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)-機(jī)械零件的常用材料及結(jié)構(gòu)工藝性

第四章機(jī)械零件的常用材料及結(jié)構(gòu)工藝性

【學(xué)習(xí)目標(biāo)及要求】

本章首先介紹機(jī)械零件常用的材料，鋼的熱處理，以及如何正確選用機(jī)械零件的材料；然后介紹零件的結(jié)構(gòu)工藝性，以便于毛坯的制造、零件的加工、裝配和改善零件的工作條件等；最后介紹零件的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

4.1機(jī)械零件的常用材料及其選用

4.1.1機(jī)械零件的常用材料機(jī)械零件所用機(jī)械工程材料的鋼材基本情況介紹

1、鋼(1)普通質(zhì)量非合金結(jié)構(gòu)鋼（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）

表4-1普通質(zhì)量非合金結(jié)構(gòu)（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）

牌號(hào)

力學(xué)性能（不小于）

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

Q195

315～430

195

33

沖壓件、焊接件及受載小的機(jī)械零件，如墊圈、開口銷、鉚釘、地腳螺栓等

Q215

Q235335～450

375～500

2152353126焊接件、金屬結(jié)構(gòu)件及螺栓、螺母、鉚釘、銷軸、連桿、支座等受載不大的機(jī)械零件

Q255

Q275410～550490～630

255

2752420金屬結(jié)構(gòu)件及螺栓、螺母、墊圈、楔、鍵、轉(zhuǎn)軸、心軸、鏈輪、吊鉤、連桿等受力較大的機(jī)構(gòu)零件(2)優(yōu)質(zhì)非合金鋼結(jié)構(gòu)鋼（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

表4-2優(yōu)質(zhì)非合金鋼結(jié)構(gòu)鋼（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

牌號(hào)

力學(xué)性能（不小于）

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

08

325

195

33

管子、墊片、要求不高的滲碳或氰化零件，如套筒、短軸等

10

20335

410

20524531

25冷沖壓件、聯(lián)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30

40490570

295

33521

19調(diào)質(zhì)零件，如齒輪、套筒、連桿、軸類零件及聯(lián)接件等

表4-2續(xù)表

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

45

50600

630

3553751614調(diào)質(zhì)零件，如齒輪、套筒、連桿、軸類零件及聯(lián)接件等

60

7085675

7151130

400

4209801296彈簧、彈性墊圈、凸輪及易磨損零件

(3)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

表4-3低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

Q295

390～570

295

23橋梁、車輛、容器、焊管

Q345

470～630

34521

橋梁、車輛、壓力容器、船舶

Q390490～65039020橋梁、船舶、中壓容器、起重設(shè)備

Q420

520～680420

19

大型橋梁、高壓容器、大型船舶Q460550～72046017中溫高壓容器、大型橋及船(4)合金結(jié)構(gòu)鋼

表4-4合金結(jié)構(gòu)鋼

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

20Cr

835

54010用于要求心部強(qiáng)度較高，承受磨損，尺寸較大的滲碳零件20MnVB

108088510制造齒輪等滲碳零件

40Cr

9807859用于較重要的調(diào)質(zhì)零件，如連桿、重要齒輪、曲軸等40CrNiMoA

980835

12

用于制造承受沖擊載荷的高強(qiáng)度零件45Mn2

88573510可代替40Cr鋼制造齒輪、軸類零件表4-2續(xù)表

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

35CrMo

98083512制造大截面齒輪、軸類零件40CrMnMo980

78510制造高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)零件65Mn980785

8截面小于20mm的冷卷彈簧60Si2Mn1275

11755250℃以下的耐熱彈簧50CrVA1275113010大截面高強(qiáng)度彈簧(5)鑄鋼

表4-5一般工程用鑄造碳鋼

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

屈服點(diǎn)σsMpa

伸長(zhǎng)率δ%

ZG200-400

400

20025各種形狀的機(jī)件，如機(jī)座、變速器箱殼等ZG230-450

45023022機(jī)座、機(jī)蓋、箱體等。焊接性良好ZG270-50050027018飛輪、機(jī)架、蒸汽錘、聯(lián)軸器、水壓機(jī)工作缸，焊接性尚好ZG310-570

570310

15

聯(lián)軸器、氣缸、齒輪、重載荷機(jī)架等ZG340-64064034010起重運(yùn)輸機(jī)中的齒輪、聯(lián)軸器等重要機(jī)件(6)鑄鐵

表4-6灰鑄鐵

牌號(hào)鑄鐵壁厚/mm

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

HT150

10～20145承受中等載荷的零件，如端蓋、軸承座、閥殼、管子附件、一般機(jī)床床身、滑座、工作臺(tái)等HT20010～20195承受較大載荷和要求有一定的氣密性或耐蝕性等較重要的零件，如汽缸、齒輪、機(jī)床、飛輪、齒條、襯筒、液壓筒、泵的殼體、閥殼、油缸、氣缸、聯(lián)軸器、機(jī)體、齒輪、齒輪箱外殼、飛輪、凸輪、軸承座等HT25010～20240HT30010～20290承受高載荷、耐磨和高氣密性重要零件，如重型機(jī)床、剪床、齒輪、凸輪、車床卡盤、壓力機(jī)的床身、導(dǎo)板、增壓液壓筒、泵的殼體等HT35010～20340(7)銅合金

表4-7銅合金

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

伸長(zhǎng)率δ%

ZCuSn5Pb5Zn5(5-5-5錫青銅)20013受載較大的零件，如軸套、軸承、螺母等耐磨件

ZCuSn10P1（10-1錫青銅）

2203受沖擊載荷的耐磨件，如齒輪、蝸輪、軸瓦、襯套、絲桿螺母等ZCuPb20Sn5(20-5錫青銅)1505受重載的軸承、軸瓦等ZCuAl10Fe3(10-3鋁青銅)49010

重要的軸承、軸套、輪緣及大型鑄件等H68（黃銅）30050冷沖壓件，如法蘭盤、支架、散熱器外殼等H62（黃銅）37049螺母、墊圈、鉚釘、彈簧等

(8)鋁及鋁合金

表4-8鋁及鋁合金

牌號(hào)

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

伸長(zhǎng)率δ%

5A02（LF2，防銹鋁）

19023中等強(qiáng)度的焊接件、冷沖壓件、管道、容器、鉚釘?shù)?A50（LD5，鍛鋁）42013形狀復(fù)雜的沖壓件、鍛壓件2A11（LY11，硬鋁）

42015

中等強(qiáng)度零件及焊接件，如螺栓、鉚釘、接頭、骨架等7A04（LC4，超硬鋁）60012高強(qiáng)度零件、大梁、框架等ZL101（鑄鋁硅合金）

2221中等強(qiáng)度形狀復(fù)雜的零件，如支架、殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)附件等(9)工程塑料

表4-9工程塑料

名稱

力學(xué)性能

用途抗拉強(qiáng)度σb

Mpa

伸長(zhǎng)率δ%

丙烯腈，丁二烯、苯乙烯（ABS）61.7(高強(qiáng)度中沖擊型)

---作一般結(jié)構(gòu)或耐磨受力傳動(dòng)零件和耐磨蝕設(shè)備，用ABS制成泡沫夾層板可做不轎車車身

聚砜（PSU）70.5～83.320～100

適于高溫下工作的耐磨受力傳動(dòng)零件，如汽車分速器蓋、齒輪以及電氣絕緣零件等尼龍66

46～81.360～200

適用于中等載荷、溫度≤100～200℃，無潤(rùn)滑或少潤(rùn)滑條件下工作的耐磨受力傳動(dòng)零件聚四氟乙烯PTFE，F(xiàn)-4）

13．7～24.5250～350

主要用作耐化學(xué)腐蝕、耐高溫的密封元件，也用作輸送腐蝕介質(zhì)的高溫管道、耐腐蝕襯里、容器以及軸承、導(dǎo)軌、無油潤(rùn)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、管材及棒料等?？捎米鬏S承、軸瓦、帶輪、齒輪、制動(dòng)裝置和離合裝置的零件，摩擦輪及電氣絕緣零件等4.1.2機(jī)械零件材料的選用

為了正確選用材料，以下選材原則是非常重要的。

(1)根據(jù)材料的使用性能選材

①考慮零件所受載荷的大小和性質(zhì)，以及應(yīng)力狀態(tài)。

②考慮零件的工作條件。

③考慮對(duì)零件尺寸及重量有限制。

④考慮零件的重要程度。

⑤考慮其他特殊要求。

(2)根據(jù)材料的工藝性能選材

考慮零件結(jié)構(gòu)需要和不同材料適合不同加工方法來綜合考慮選用。一般說來，箱體類零件宜選用鑄鐵，軸和齒輪宜選用型材，重要的軸或齒輪宜選用鍛件。

(3)根據(jù)材料的經(jīng)濟(jì)性選材

常用金屬材料中一般說來，鑄件成本最低，型材次之，鍛件最高。

在保證零件使用性能前提下，盡量選用便宜的材料，可降低零件總成本。但有時(shí)選用性能好的材料，雖然其價(jià)格較貴，但由于零件自重減輕，使用壽命延長(zhǎng)，維修費(fèi)用減少，反而是經(jīng)濟(jì)的。

總之，在選用材料時(shí)，應(yīng)結(jié)合零件的使用情況、各種材料的性能和毛坯的制造方法等因素予以綜合考慮，分清主次，以滿足主要要求，協(xié)調(diào)次要要求，在選用材料時(shí)，還應(yīng)注意本單位對(duì)材料使用的有關(guān)規(guī)定及經(jīng)驗(yàn)，參照已成功使用著的同類機(jī)器中各零件材料的應(yīng)用情況，些都將有助于對(duì)零件材料的和選取。各行各業(yè)都有很好的選材案例，大家要結(jié)合工作不斷體會(huì)材料的選用方法。2、常用機(jī)器零件選材

(1)軸類零件的材料選擇

軸的功能是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。軸類零件是機(jī)床、汽車等各類機(jī)器的重要零件之一。軸類零件一般按強(qiáng)度、剛度計(jì)算和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行零件設(shè)計(jì)和選材。

制造軸類零件的材料主要是各種結(jié)構(gòu)鋼（如45、40Cr、38CrMoAl、20Cr），特殊場(chǎng)合也用不銹鋼、有色金屬甚至塑料。近年來，球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵（如HT350，KTZ550-06）已愈來愈多地作為制造軸類的材料，如內(nèi)燃機(jī)曲軸、普通機(jī)床的主軸等。

（大部分的軸是用型材或鍛件）

(2)齒輪類零件的材料選擇

齒輪是各類機(jī)械、儀表中應(yīng)用最多的零件之一，其作用是傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。

齒輪用材絕大多數(shù)是鋼（鍛鋼和鑄鋼），某些開式傳動(dòng)的低速齒輪可用鑄鐵，特殊情況下還可以采用有色金屬和工程塑料。（齒輪一般都要經(jīng)過熱處理后使用，所以要選用中碳鋼或合金鋼）

(3)彈簧類零件的材料選擇

彈簧是各種機(jī)械和儀表中的重要零件，主要用于各類機(jī)器的減震（如破碎機(jī)的支承彈簧和車輛的懸掛彈簧）、儲(chǔ)備機(jī)械能（如儀表中的發(fā)條等）及控制運(yùn)動(dòng)（如氣門、離合器、制動(dòng)器）等。

彈簧利用材料的彈性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在外力作用下發(fā)生彈性變形，將機(jī)械能或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，外力去除后，彈性變形恢?fù)，將變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或動(dòng)能。用于制造彈簧的材料主要是中碳碳鋼和合金鋼。主要有碳素彈簧鋼（如65）錳彈簧鋼（如65Mn），硅錳彈簧鋼（如60Si2Mn）、鉻釩彈簧鋼（如50CrVA）、硅鉻彈簧鋼（如60Si2CrA）、鎢鉻釩彈簧鋼（如30W4Cr2VA）等

(4)箱體支承類零件材料

箱體及支承件是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件。箱體一般形狀復(fù)雜、體積較大，且具有中空壁薄的特點(diǎn)。

箱體材料的選用一般多選用鑄鐵（如HT200、QT400-15）、鑄鋼（如ZG270-500）對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單、生產(chǎn)批量較小的箱體，為了減輕重量也可采用各種低碳鋼（如Q235）型材拼制成焊接件。

(5)刀具材料的選擇

刀具是用來切削各種金屬和非金屬的工具。對(duì)于刀具材料硬度是首先考慮的問題。刀具工作部分所用材料主要有非合金工具鋼（碳素工具鋼）、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料。目前使用最多的是高速鋼（占60%以上）和硬質(zhì)合金（占30%以上）。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)合金和高硬材料的使用比重日益增加。

(6)量具材料的選擇

量具是測(cè)量工件尺寸的工具。在使用過程中，它的表面經(jīng)常和工作接觸，不可避免地受到工件的摩擦作用，其損壞形式主要是磨損，其次也有因碰撞損壞或變形失效的。對(duì)量具材料的基本要求是既要耐磨又要有一定的韌性。常用牌號(hào)是低合金工具鋼CrWMn、9Mn2V或鉻軸承鋼GCr15

4.2機(jī)械零件材料的熱處理及其應(yīng)用

4.2.1鋼的熱處理簡(jiǎn)介鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下進(jìn)行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法（圖4-1），促使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而達(dá)到提高零件的力學(xué)性能和改善其工藝性能的目的。

圖4-1鋼的熱處理

45鋼在不同熱處理下的金相組織

45水淬組織

45油淬組織

45鋼淬火+低溫回火組織

45鋼調(diào)質(zhì)組織45鋼正火組織45鋼退火組織

45鋼淬火+低溫回火組織

1、退火

把鋼加熱到時(shí)臨界溫度（在鋼的固態(tài)范圍內(nèi)，引起鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度）以上，然后隨爐緩冷的過程稱為退火。其目的是降低材料的硬度，提高塑性，細(xì)化結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，改善切削加工性能，消除鑄、鍛件及焊接件等由于冷熱變形所引起的內(nèi)應(yīng)力。正火

正火和退火的工藝過程相似，所不同的是正火是在空氣中冷卻，冷卻速度較快，因而可以獲得較細(xì)的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，改善材料的綜合力學(xué)性能，得到較高的強(qiáng)度和硬度。2、淬火

把鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后使之在水或油中迅速冷卻的過程稱為淬火。由于材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，使其硬度提高，增大了材料的耐磨性；但材料的脆性也增加，塑性、韌性降低，并在材料內(nèi)部形成較大的淬火應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致零件的變形或開裂。為了消除淬火應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性，淬火后需經(jīng)回火處理。

淬火視頻回火回火是把淬火后的零件再次加熱到一定溫度（低于臨界溫度），保溫一定時(shí)間，然后在空氣中冷卻。根據(jù)要求的不同，可以采用不同的回火溫度，回火溫度愈高，材料的硬度和強(qiáng)度下降愈多，而塑性和韌性則顯著提高。常用回火方法有三種低溫回火低溫回火（150-250℃），主要用來降低材料的脆性和淬火應(yīng)力，并能保持高的硬度，適用于要求高硬度的耐磨零件，如刀具、模具等。中溫回火

中溫回火(350-500℃)，目的在于保持一定韌性的條件下，提高材料的彈性和屈服點(diǎn)，主要用于各種彈簧和承受沖擊的零件。高溫回火高溫回火(500-650℃)，淬火后加高溫回火的工藝過程稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)處理可以提高和改善材料的綜合力學(xué)性能。所以一些重要的受力零件，特別是一些在變應(yīng)力下工作的零件，如連桿、齒輪和軸等，常采用調(diào)質(zhì)處理。表面淬火

對(duì)于一些要求表面有高硬度以增加其耐磨性，而心部有高韌性以提高其抗沖擊能力的零件，可以采用表面淬火工藝，如火焰表面淬火、高頻表面淬火等。表面淬火只提高材料表面硬度。材料內(nèi)部性能不改變。

表面淬火視頻3．化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是把零件放入化學(xué)介質(zhì)（如碳、氮等）中加熱、保溫，使介質(zhì)滲入零件表層中，使其化學(xué)成分改變，從而使表層的組織性能變化。常用的化學(xué)熱處理方法有：(1)滲碳

常用于低碳鋼或低碳合金鋼，滲碳使零件表層的含碳量增高，然后通過淬火，使表面的硬度和耐磨性提高，而心部仍保持良好的塑性和韌性，使零件既耐磨又抗沖擊。(2)滲氮（氮化）

滲氮是在零件表面形成一層高硬度的氮化層，以提高零件表面的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。滲氮溫度較低，零件變形??；但滲氮層較薄，不能承受大的壓力和沖擊。滲氮零件的材料常選用38CrMoAl滲氮專用鋼。

(3)氰化（碳氮共滲）

氰化工藝是在碳氮共滲后淬火加低溫回火，其滲層的硬度和耐磨性比滲碳層高。由于氰化溫度比滲碳溫度低，故零件變形小。氰化常用于低碳鋼和中碳鋼。4.2.2鋼的熱處理的應(yīng)用

見下表序號(hào)目的材料熱處理1改善切削加工性能含碳0.5%以下的碳鋼低碳低合金鋼正火中、高碳（合金）鋼（球化）退火2提高冷變形能力各種鋼軟化退火3降低或消除內(nèi)應(yīng)力各種鋼正火；退火；淬火后回火各種冷變形鋼再結(jié)晶退火；去應(yīng)力退火量具鋼淬火+低溫回火+時(shí)效灰鑄鐵、球墨鑄鐵時(shí)效4提高彈性極限各種彈簧鋼淬火+中溫回火5提高耐磨性各種低碳鋼滲碳+淬火+低溫回火各種中、高碳鋼淬火+低溫回火各種鋼軟氮化6提高疲勞強(qiáng)度各種鋼淬火后回火7提高耐沖擊性能各種鋼淬火+中溫回火；等溫淬火8提高高溫強(qiáng)度、韌性、抗熱疲勞中碳合金鋼淬火+中溫回火9提高耐蝕性18-8型不銹鋼固溶處理4.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性

零件的結(jié)構(gòu)工藝性是指零件從結(jié)構(gòu)角度分析被加工的難易程度，制造和裝配時(shí)的可行性和經(jīng)濟(jì)性及其使用時(shí)的性能。在進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可能涉及的結(jié)構(gòu)工藝問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、要便于零件毛坯的制造具體見教材表4-102、要便于零件的機(jī)械加工具體見教材表4-113、要便于零件的熱處理具體見教材表4-124、要便于零件的裝卸和可靠定位具體見教材表4-135、要有助于提高零件的使用性能具體見教材表4-14

4.4機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化4.4.1機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化為了有