机械零件的选材
在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。
1、工程材料的强化方式：
固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。
2、工程材料的韧化途径：
细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。
一、选材的基本原则
＊满足机件的使用性能要求
＊较好的加工工艺性
＊较好的经济性
1、材料的使用性能应能满足使用要求
使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。
（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求
①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性
或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。
②工作环境一一温度、介质的性质等
③特殊要求的性能一一电、热、磁、比重、外观等
失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。
（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求f可测的实验室性能指标f初选
一般根据设计手册的数据选材，应注意：
*材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。
*材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。
*材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围
只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能
选材是偏安全的
手册一般给出：a s 、。b、6、中、ak
目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。
2、材料的工艺性应满足加工要求
材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。在选材中，同使用性能比较，工艺性能处
于次要地位，但在某些情况下，如大量生产时，工艺性能则可能
成为选材考虑的主要依据。
实际选材时，一般是从零件的工艺路线中提出对材料的工艺性能
要求。金属零件按其形状、性能要求，可有很多种不同的加工工
艺路线。
钢铁零件的工艺路线大体可分为三类：
①性能要求不高的一般零件（一般用铸铁、碳钢制造）毛坯f正火或退火f机械加工f零件②性能要求较高的一般零件（合金钢、高强度铝合金）
毛坯f预先热处理（正火或退火） f粗加工f最终热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等）f精加工
③要求较高的精密零件
毛坯f预先热处理（正火或退火）f粗加工f热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等）f半精加工f稳定化处理f精加工f稳定化处理f零件
高耐磨性者还须进行氮化处理
金属材料的加工工艺性能有：
铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。
如果设计的是铸件，最好选择共晶合金；设计锻件、冲压件，最好选择固溶体的合金；设计焊接件，则不应选用铸铁、铜合金、
铝合金，应选低碳钢或低碳合金钢；绝大部分机械零件都要经过切削加工，一般将钢铁材料的硬度控制在160〜230HBs。制造高强度
及大截面、形状复杂的零件，须选用合金钢。
3、材料的价格和总成本应经济、低廉
经济性是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单指选用的材料本身的价格应便宜，更重要的是应使产品的总成本降至最低。同时，所选材料应符合国家的资源状况和供应情况，其品种、规格应尽量少而集中。
零件的总成本包括：材料的价格、零件自重、零件寿命、零件加工费用、试验研究费、维修费用等
另外还应考虑可持续性（环保、资源等）
一般的说，在满足零件机械性能的前提下，选用碳钢、铸铁
可降低成本。现在用球墨铸铁代替锻钢制造曲轴、齿轮等重要零
件，不仅降低了成本，而且节约了加工工时，延长了使用寿命。
由于低合金钢强度比碳钢高，工艺性能接近碳钢，故在有些情况
下，选用低合金钢往往经济效益比较显著。
二、选材的一般一般步骤及具体方法
1、零件材料选择的步骤
1）在分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。
2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析结果，找出零件在实际使用中的主要和次要失效抗力指标，以此作为选材的依据。3）根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，通过比较选择合适材料。
4）审核所选材料的生产经济性。
5）试验、投产。
2、零件选材的具体方法简介
新设计的关键零件通常应进行力学性能试验；按力学性能选材，具体方法有以下三种类别：
1）以综合力学性能为主进行选材；P257-258
2）以疲劳强度为主进行选材；P258
3）以磨损为主进行选材。P258-260
典型零件的选材实例分析
、工程材料应用概括
金属、陶瓷和高分子材料是三类最重要的工程材料，各有特性，故各有其最合适的用途。
高分子材料——强度、刚度、疲劳强度、冲击韧性均较低，不耐高温。目前还很少用于制造重要的机器结构零件。
但因其减振性、减摩性、耐蚀性好，比重很小，常制轻载传动齿轮、轴承、密封垫圈等。
陶瓷材料——性太脆，不能用于制造重要的受力构件。但其化学
稳定性、热硬性好，硬度高，常用于制造高温下工作的零件如燃烧器、喷嘴等，及切削刀具、某些耐磨零件、石油化工容器等耐蚀件。
金属材料具有最优良的综合机械性能，强度高、韧性好、疲劳抗力也高，可用来制造各种重要的机器零件和工程结构，钢铁目前仍是最重要的结构材料。
二、机床零件用材分析
其工作条件较好、受力较小，故大多数零件选材时，刚度是要考虑的主要问题。机床大部分零件不必采用高级材料制造，而是采用碳钢和铸铁。
1、机床主轴
①轻载主轴（如普通车床主轴）般用45钢，经调质或正火，在要求耐磨部位采用高频表面淬火
②中载主轴（如铣床主轴）般用40Cr、45钢或球
墨铸铁，经调质处理，耐磨部位表面淬火强化。
③重载主轴（如组合机床主轴）般用 20CrMnTi 钢制造，经渗碳、淬火、回火处理
④高精度主轴（如精密镗床主轴）般用38CrMoAl钢制造,经调质处理后进行氮化处理及尺寸稳定化处理
2、机床齿轮
①轻载齿轮45钢，正火或调质
②中载齿轮（主传动系统及进给系统中的齿轮）45钢经正火或调质处理加高频表面淬火强化或40Cr钢经调质处理加高频表面淬火强化
③重载齿轮一一20Cr或20CrMnTi，经渗碳加淬火、低温回
3、机床导轨
常用灰铸铁HT200或高磷耐磨铸铁等制造，可进行表面淬火处理，要进行长期的稳定尺寸的人工时效处理
三、汽车零件用材分析
工作条件比机床复杂得多：受力非常复杂，常受较大的冲击和过载；工作环境恶劣，要在变化很大的温度、湿度及尘土飞扬的条件下工作。
采用低合金高强钢，可提高材料的比强度，从而减轻汽车自重，提高重量利用系数（载重量/自重），降低油耗和汽车成本。
汽车的结构大体分为四部分：
发动机部分（汽缸体、活塞、连杆、曲轴、进排气阀等）
底盘部分（离合器、变速箱、传动轴、车架、轮胎、方向盘、
制动片、气泵等）
车身部分（驾驶室、车厢等）
电气部分（起动、点火、照明、讯号等）
发动机零件用材：
缸体、缸盖、飞轮——HT200去应力退火；或用ZL104做缸体、缸盖，须淬火+时效处理
曲轴—-QT600-02或锻钢，经表面淬火或氮化
活塞销一一20、20Cr、20CrMnTi经渗碳、淬火、低温回火
活塞——ZL108、ZL110经淬火+时效
气门弹簧——65Mn、50CrVA经淬火+中温回火
北京牌吉普车后桥圆锥齿轮一一20CrMnTi经渗碳、淬火、低
温回火，渗碳层1.2~1.6mm ，齿面硬HRC58~62，心部硬
度HRC33~48
工艺路线：
下料^锻造^正火f切削加工f渗碳、淬火、低温回火 f磨
削加工
第14章机械零件用材料及成形工艺的选择 在进行产品设计时，会遇到零件材料选择的问题；在进行零部件生产过程中，会遇到怎样使材料成形的问题，材料及其成形工艺的选择是工程上的重要课题。材料好与坏，它不仅关系到机械零件的使用性能，也关系到零部件的加工制造难度，同时还关系到零件的成本，使用安全性等。在实际工程中，由于选材用材不当而给用户带来很多直接或间接的损失，也是常见的。因此，合理的材料选择，以及采取合适的成形工艺，是保证高质量产品的关键。另一方面，材料成本占零件成本的一半以上，合理的的选材，也可降低生产成本，提高经济效益。本章仅针对机械零件的的选材问题进行讨论。 在进行材料选择时，必须考虑现场使用时需要材料有哪些性能，它能够使用多长时间，它是如何失效的等。因此，选材与零件失效的关系十分密切。 14.1材料的失效形式 14.1.1 材料的使用条件 材料的使用条件总称为工况。工况研究是对材料进行各种研究的基础，也是失效研究及选材的基础。在研究材料时，不能把材料看成一个孤立的系统，在材料的使用和制造过程中，材料与环境之间始终有能量及物质的交换，因此要十分重视材料的使用环境，这就是要研究工况的原因；同时也必须重视制造材料的环境，这就是研究材料工艺性的原因。 下面我们首先来研究材料的使用环境，即使用工况。 工程材料的使用工况由以下几方面组成： 1.负荷情况 在使用过程中，工程材料负担着传递动力或承受载荷的任务，必然受到各种各样载荷的作用。一般地，按照加载速度，材料所受到的载荷可分为静载荷和动载荷。静载荷是指加载速率较为缓慢的，大小和方向不随时间而变化的载荷；动载荷则是指加载速度很大的载荷，或是大小和方向随时间而变化的载荷。动载荷主要有冲击载荷和交变载荷两种类型。材料所受到的各种载荷，按其作用方式又可分为，拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。材料所受的负荷具体体现为材料受到各种应力的作用，这些应力是拉应力、压应力、剪应力、切应力，扭矩、弯曲应力等。实际工程材料所受的应力往往是多种应力的复合。 所有的工程材料都是在各种应力组成的应力场下工作，没有不受力的工程材料。抗力能力是对工程材料的基本要求，力学性能是工程材料的首要性能。如各种工程结构都受到至少是重力的作用，轴和齿轮等传递动力的机件都受到压应力、剪应力、扭矩等力的作用，锤头受到冲击力的作用等。 2.使用环境温度 工程材料总是要在环境所决定的温度下使用。大多数材料都是在气温下工作的，但是气温也是随天气、地域和季节的不同而不断变化的。此外，也有在高温或低温下工作的材料。在实际工程中，要求材料具有适应高温或低温环境的能力。各种工业炉用材，都必须能耐高温；各种制冷设备用材，都必须能耐低温；有些时候，材料还应能耐剧烈的温度变化。 3.使用介质 材料的使用介质也是材料的使用环境中必不可少的一部分，材料的使用介质有大气、淡水、海水、土壤、含泥砂的水、各种酸碱盐的溶液等。 绝大多数材料都是在大气环境中工作。大气是成分复杂的混合物。其中氮气和氧气占98%，其它组分是水蒸汽，二氧化碳，惰性气体、灰尘等。其中氧、水蒸汽、二氧化碳参与材料的腐蚀过程，灰尘对高速运动的部件有一些摩擦作用。在工业大气中还含有SO2、SO
第十四章零件选材与加工工艺分析 习题解答 14-1 选择材料的一般原则有哪些? 简述它们之间联系。 答：选择材料的一般原则有①材料的使用性能应满足零件的使用要求；②) 材料的工艺性应满足加工要求；③选材时，还应充分考虑经济性。 在选用材料时，必须了解我国的资源和生产情况，从实际情况出发，全面考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性等方面的因素，以保证产品性能优良、成本低廉、经济效益最佳。 14-2 什么是零件的失效? 一般机械零件的失效方式有哪几种? 答：所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。 一般零件的失效方式有：断裂、表面损伤、磨损、疲劳破坏、过量变形等。 14-3 生产批量对毛坯加工方法的选择有何影响? 答：毛坯选择要考虑加工成本，成本与生产批量有关系： ①在单件小批量生产的条件下，应选用常用材料、通用设备和工具、低精度、低生产率的毛坯生产方法。 ②在大批量生产的条件下，应选用专用材料、专用设备和工具以及高精度高生产率的毛坯生产方法。这样，毛坯的生产率高、精度高。
虽然专用材料、专用工艺装备增加了费用，但材料的总消耗量和切削加工工时会大幅度降低，总的成本也较低。 ③单件、小批生产时，对于铸件应优先选用灰铸铁和手工砂型铸造方法；对于锻件应优先选用碳素结构钢和自由锻方法；在生产急需时，应优先选用低碳钢和手工电弧焊方法制造焊接结构毛坯。 ④在大批量生产中，对于铸件应采用机器造型的铸造方法，锻件应优先选用模型锻造方法，焊接件应优先选用低合金高强度结构钢材料和自动、半自动的埋弧焊、气体保护焊等方法制造毛坯。 14-4 毛坯的选择原则是什么? 它们之间的相互关系如何? 答：毛坯的选择原则是：保证零件的使用要求；降低制造成本，满足经济性；考虑实际生产条件。三条原则是相互联系的，考虑时应在保证使用要求的前提下，力求做到质量好、成本低和制造周期短。 14-5 热处理的技术条件包括哪些内容? 如何在零件图上标注? 答：热处理技术条件的内容包括：零件最终的热处理方法、热处理后应达到的力学性能指标等。 在图样上标注热处理技术条件时，可用文字对热处理条件加以简要说明，也可用国家标准规定的热处理工艺分类及代号来表示。一般标注在零件图标题栏的上方。 14-6 下列各种要求的齿轮，各应选择何种材料和类型? (1) 承受载荷不大的低速大型齿轮，小批量生产； (2) 承受强烈摩擦和冲击、中等载荷、中速的中等尺寸齿轮，成批生产；
机械零件的常用材料及 选用原则 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
一. 机械零件常用材料: 机械零件常用材料主要有黑色金属﹑有色金属﹑非金属材料和各种复合材料四大类.其中以黑色金属中的钢﹑铸铁,及有色金属中的铜合金﹑铝合金最为常用,其次是非金属材料中的高分子材料﹑陶瓷材料和复合材料.有关知识在金属工艺学及工程材料学等,分别介绍. 二. 机械零件材料的选用原则: 在机械设计中合理地选择材料是一个很重要的问题.选择零件的材料主要应考虑三方面的问题,即使用要求﹑工艺要求和经济性要求. 1.使用要求:满足使用要求是选择零件材料的最基本原则.使用要求一般包括:(1)零件的工作和受载情况,(2)对零件尺寸和重要的限制,(3)零件的重要程度. 在考虑使用要求时要抓住主要问题,兼顾一切.一般地讲,减轻重量是机械设计的主要要求之一.若零件尺寸取决於强度,且尺寸和重量又受到某些限制时,应选用强度较高的材料.在滑动摩擦下工作的零件应选用减摩性能好的材料或耐磨材料.在高温下工作的零件应选用耐热材料,在腐蚀介质中工作的零件应选用耐蚀材料. 2.工艺要求:所谓工艺要求,是指所选用材料的冷﹑热加工性能好.比如同是箱体零件采用铸件还是焊接件,要看生产批量大小.大批量宜用铸件,小批量宜用焊接件.如果是铸造毛坯应选用流动性好的材料,若是焊接件应选用焊性好的材料. 选择材料还必须考虑材料热处理的工艺性. 由於一般零件都必须经切削加工,所以选择材料还要考虑其切削性能(易断屑﹑表面光滑﹑刀具磨损小等) (3).经济性要求:经济性首先体现在材料的相对价格上,在满足上述两方面选材原则基础上,应尽可能选择价格低廉的材料.其次对经济性不能只从材料价格上考虑,其加工制造费用,使用维护费用都应考虑在内.总之,经济性要综合考虑.
机械零件的设计与选材原则 机械零件的设计与选材是机械制造中非常重要的环节，直接关系到 机械产品的质量和可靠性。本文将介绍机械零件设计的基本原则和选 材的注意事项，以帮助读者更好地了解机械零件的设计与选材。 一、机械零件设计原则 1.功能需求：机械零件的设计首先要满足产品的功能需求。设计师 需要明确该零件在机械系统中的作用，确保其具备正确的功能和性能。 2.结构合理：机械零件的结构应当合理设计，避免存在过多的转角 和凹凸，以减少应力集中和疲劳破裂的风险。同时，还应考虑零件的 装配和拆卸方便性。 3.尺寸准确：机械零件的尺寸设计要准确无误，以确保与其他零部 件的配合工作。尺寸设计的误差通常应该在允许范围内，并以容差的 方式进行控制。 4.材料选择：选择合适的材料对机械零件的功能和性能至关重要。 材料的选择要考虑零件的使用环境、工作温度和所需的力学性能等因素。 5.易加工性：机械零件的设计还应考虑到其加工过程。要选择易于 加工和制造的设计方案，以提高生产效率和降低成本。 二、机械零件选材原则
1.强度要求：机械零件的材料选择应根据其所需的强度来确定。根 据零件承受的载荷和应力水平，选择具有足够强度的材料。 2.耐磨性要求：对于摩擦和磨损较大的机械零件，应选择具有良好 耐磨性能的材料，以提高零件的使用寿命。 3.耐腐蚀性要求：对于暴露在腐蚀性介质中的机械零件，应选择具 有良好耐腐蚀性的材料，以防止零件受到腐蚀而损坏。 4.温度要求：机械零件在高温或低温条件下的工作要求决定了材料 的选取。在高温下工作的零件需要具有良好的高温强度和热稳定性， 而低温下工作的零件需要具有良好的低温韧性。 5.制造成本：机械零件选材还要考虑到制造成本。材料的选择应在 满足性能要求的前提下，尽量降低制造成本，提高生产效率。 综上所述，机械零件的设计与选材是一项综合考虑多个因素的任务。合理的设计与选材能够确保机械产品的功能和性能。因此，在进行机 械零件设计和选材时，设计师应根据功能需求、结构合理性、尺寸准 确性、材料选择和易加工性原则进行综合考虑，以提高零件的使用寿 命和可靠性。同时，根据零件的强度要求、耐磨性要求、耐腐蚀性要求、温度要求和制造成本进行合理的选材，以满足机械零件在特定工 作环境下的功能和性能需求。
机械材料选择 在机械工程领域，材料选择对产品的性能、可靠性和寿命有着重要 的影响。合理选择机械材料可以有效提高产品的质量和竞争力。本文 将介绍机械材料选择的重要性以及影响选择的因素，并探讨一些常见 的机械材料。 一、机械材料选择的重要性 在机械设计过程中，材料选择是决定产品性能的关键因素之一。合 适的材料可以使产品具有更好的功能、性能和可靠性。在选择材料时，需要综合考虑以下几个方面： 1. 机械强度和刚度：机械零件需要具有足够的强度和刚度才能承受 各种工作条件下的荷载和振动。 2. 耐磨性和摩擦特性：材料需要能够耐受长时间的摩擦和磨损，减 少能量损失和材料磨损。 3. 耐腐蚀性：不同的环境条件对材料有着不同的腐蚀作用，选择具 有良好耐腐蚀性的材料可以保证产品的使用寿命。 4. 温度和热膨胀系数：产品在不同温度下的性能和尺寸变化需考虑，以确保产品在各种工作条件下的可靠性。 5. 成本和可加工性：材料的成本和可加工性会直接影响产品的制造 成本和可行性。
综上所述，机械材料选择对于产品的设计、制造和使用过程都有着 重要的作用，只有合理选择材料，才能保证产品的性能和质量。 二、影响机械材料选择的因素 影响机械材料选择的因素很多，下面列举一些重要的因素： 1. 工作环境：不同的工作环境对材料的要求不同，如湿润环境、高 温环境、强腐蚀环境等。 2. 荷载和振动条件：产品需要能够承受的荷载和振动条件不同，选 材时需要考虑材料的强度和韧性。 3. 加工性能：材料的加工性能直接关系到产品的制造成本和可行性，需要选择易加工和成型性好的材料。 4. 经济性和可获得性：材料的成本和可获得性也是影响选择的重要 因素，需要综合考虑材料的性能和成本。 5. 安全性和环保性：材料选择也需要考虑产品的安全性和环保性， 避免使用对人体有害或环境污染的材料。 三、常见机械材料介绍 1. 软钢：软钢具有较高的强度和韧性，广泛应用于一般机械结构和 零件制造中，如桥梁、建筑和机床等。 2. 不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐高温性，广泛用于化工、食品、医疗等领域。
机械设计中金属材料的选择及运用分析杭州利珀科技有限公司 摘要：金属材料在机械设计中起着重要作用。本文首先介绍了金属材料的特性和分类，包括普通结构钢、特殊合金钢、铸铁、有色金属和稀有金属。接着阐述了金属材料选择的主要考虑因素，如力学性能、导热性、导电性和使用环境。最后，以结构零件、轴承、冲压零件和焊接结构为例，展示了金属材料在不同领域的运用。综合分析了金属材料的选择和应用对于机械设计的重要性，以期为工程师在机械设计中合理选择金属材料提供参考。 关键词：机械设计；金属材料；选择及运用；分析 引言 随着现代工业的迅速发展，机械设计在产品制造中扮演着举足轻重的角色。而在机械设计过程中，材料的选择和运用是至关重要的。不同的材料具有不同的特性和适用范围，而金属材料因其优异的力学性能、导热性能、电导性能和加工性能，在机械设计中得到了广泛的应用。本文将围绕金属材料在机械设计中的选择和运用展开分析。 一、金属材料的特性和分类 金属材料是一类具有金属元素为基础的材料，其特征主要表现在晶体结构、导电性、导热性、塑性和强度等方面。晶体结构决定了金属的一些特性，比如硬度、韧性和延展性。金属材料具有良好的导电性和导热性，是制造电子器件和热传导元件的理想选择。此外，金属材料通常具有较高的强度和塑性，可满足机械零件的要求。 金属材料可以分为普通结构钢、特殊合金钢、铸铁、有色金属和稀有金属等几大类。普通结构钢主要由碳和少量合金元素构成，广泛应用于一般机械零件。特殊合金钢含有多种合金元素，具有高强度、高硬度、耐高温等特性，适用于高
强度零件的制造。铸铁主要用于铸造零件，有着良好的流动性和铸造性。有色金 属包括铜、铝、镁、钛等，通常用于制造轻质零件和电器零件。稀有金属具有较 高的价格和特殊性能，常用于特殊领域，如航空航天和核工业。 二、金属材料选择的考虑因素 在机械设计过程中，选择适合的金属材料是至关重要的。不同的应用场景和 零件要求会影响金属材料的选择。以下是一些金属材料选择的主要考虑因素：（一）力学性能 力学性能是在选择金属材料时首要考虑的因素。它包括了材料的强度、硬度、韧性、抗疲劳性等关键特性。这些性能直接影响零件在实际工作中的表现和可靠性。对于不同零件，需要具备不同的力学性能以满足其特定的工作要求。举例而言，承受高载荷的零件需要具有高强度和硬度的材料，以确保零件在高压力条件 下不发生形变或破裂。另一方面，对于需要承受冲击负载或震动负载的零件，良 好的韧性和抗疲劳性则显得尤为重要。因此，全面考虑不同零件的工作环境和所 需性能，选择合适力学性能的金属材料，能够最大程度地提高零件的可靠性和耐 久性，确保机械设备的稳定运行。 （二）导热性和导电性 导热性和导电性是金属材料的优势特性，对于需要传热或导电的零件，选择 具有良好导热性和导电性的金属材料非常重要。导热性能良好的金属材料能够有 效传递热量，保证零件在高温环境下不易过热损坏。而优异的导电性能使金属材 料成为电器、电子领域不可或缺的材料，能够确保电信号的快速传输和稳定导电。在设计过程中，根据零件所处环境和工作要求，精准选择适应的金属材料，以充 分发挥其导热性和导电性的优势，确保零件的高效运行。 （三）加工性能 加工性能是金属材料在制造过程中的关键特性，包括切削性、焊接性、成型 性等。切削性影响零件加工的精度和效率，良好的切削性使加工更容易、更精准。焊接性决定了材料能否顺利进行焊接，直接影响到零件的整体结构和强度。成型
机械零件设计与选材的优化方法 作为一名专业机械工程师，机械零件设计与选材是我日常工作中不可或缺的重 要环节。在机械制造领域，零件的设计和选材直接影响着产品的质量、性能和寿命。因此，为了实现最佳的机械设计和制造效果，我们需要掌握一些优化方法。 首先，机械零件设计的优化方法之一是充分理解产品的工作原理和使用环境。 在设计过程中，我们需要深入了解零件所承受的力、压力、温度等工作条件，以便选择合适的材料和优化结构。例如，在高温环境下工作的零件，我们可以选择耐高温的合金材料，或者采用隔热措施来提高零件的耐热性能。 其次，优化机械零件设计还需要考虑到材料的力学性能。不同的材料具有不同 的强度、硬度、韧性等力学性能，我们需要根据零件的工作条件和要求选择合适的材料。例如，在高载荷条件下工作的零件，我们可以选择高强度的钢材或者铝合金，以确保零件的安全性和可靠性。 此外，优化机械零件设计还需要考虑到制造工艺和成本因素。在设计过程中， 我们需要综合考虑零件的形状、尺寸、加工难度等因素，以便选择合适的制造工艺。例如，对于复杂形状的零件，我们可以采用数控加工或者3D打印等先进的制造技术，以提高生产效率和降低成本。 此外，为了实现机械零件设计的优化，我们还可以借助计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）等工具。CAD软件可以帮助我们实现零件的三维建模和设计，提高设计效率和准确性。FEA软件可以模拟零件在不同工况下的受力情况， 帮助我们评估零件的强度和刚度，从而指导设计和选材。 总结起来，机械零件设计与选材的优化方法包括充分理解产品的工作原理和使 用环境、考虑材料的力学性能、综合考虑制造工艺和成本因素，以及借助CAD和FEA等工具。通过合理运用这些方法，我们可以实现机械零件设计的优化，提高
浅析机械零件选材 机械零件的选材是机械设计中的关键问题之一，它直接影响机械产品的性能和质量，因此必须进行合理的选材。本文将从材料性能选择、应力分析和可靠性分析三个方面对机械零件选材进行浅析。 一、材料性能选择在进行材料选择时，需要考虑许多因素，如材料的强度、硬度、韧性、耐磨性、抗腐蚀性等等。其中，强度是最为重要的因素之一，它直接决定了零件的载荷承受能力。硬度可以影响零件的磨损和油封性能，韧性则决定了零件的冲击和抗裂性能，抗腐蚀性能可以决定机械零件的使用寿命。因此，根据零件本身的载荷和使用环境，选择合适的材料是至关重要的。 二、应力分析在材料性能确定后，需要进行应力分析。应力分析是材料力学中的一项重要内容，它可以直接反映出零件的可靠性和安全性。在进行应力分析时，需要考虑零件的载荷特点、工作条件和材料本身的物理特性。通过对零件的应力进行分析，可以确定零件的强度和刚度，以及零件受力时是否出现应力集中等问题。根据应力分析的结果，可以决定材料的最大工作强度和安全系数。因此，在进行机械零件设计时，应力分析必不可少。 三、可靠性分析在进行选材和应力分析后，需要进行可靠性分析。可靠性分析是机械设计中的一种重要方法，它可以直接反映机械产品的质量和使用寿命。在进行可靠性分析时，
需要考虑机械产品的使用环境、工况特点，以及机械零件的精度、工艺等。通过可靠性分析，可以预测机械产品的故障率和寿命，在进行机械零件的选材和设计时，保证其可靠性是非常重要的。 综上所述，对机械零件进行合理的选材至关重要。机械零件的选材需要考虑到材料的物理、机械特性，强度、硬度、韧性、耐磨性、抗腐蚀性等等因素。应力分析和可靠性分析必须进行，以保证机械零件的强度、稳定性和使用寿命，并确保机械产品的质量。
机械零件选材及其工艺方法的选择 学习目标 明确零件成型工艺选择的一般原则；熟悉零件热处理的技术条件；熟悉典型零件的选材，会对其进行工艺分析。 重点与难点 重点：零件成型工艺选择的一般原则；零件热处理的技术条件。 难点：轴杆类零件、齿轮类零件和箱体类零件的选材及工艺分析。 零件成型工艺选择的一般原则 本节要点：零件成型工艺的选择原则。 除了少数效能要求不高的零件以外，大多数机械零件都要通过铸造、锻压或焊接等成型工艺裂成毛坯，然后再经切削加工裂成成品。因此，零件成型工艺的选择是否合理，不仅影响每个零件甚至整部机械的裂造质量和使用效能，对零件的工艺裂造过程，生产遇期和成本也有很大的影响。表4-5列出了常用毛坯成型的生产方法及相关内容的比较，可供参考。 选择毛坯成型工艺时必须考虑以下原则： 1.保证零件的使用要求 成型后的毛坯裂成零件后，应满足其使用要求。零件的使用要求包括对零件形状和尺寸的要求，以及工作条件对零件效能的要求。例如机床的主轴，是机床上的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力褪杂，在长期使用过程中只允许发生极微小的变形，因此应选用45钢或40cr等具有良好综合力学效能的材料，经锻造裂坯及严格的切削加工和热处理裂成。 2.降低裂造成本，满足经济性要求 一个零件的裂造成本包括其本身的材料费以及所消耗的燃料费、动力费用、人工费、各项折旧费。单件、小批生产时，对于铸件应优先选用灰铸铁和手工砂型铸造方法；对于锻件应优先选用碳素结构钢和自由锻方法；在生产急需时，应优先选用低碳钢和手工电弧焊方法制造焊接结构毛坯。在大批量生产中，对于铸件应探用机器造型的铸造方法，锻件应优先选用模型锻造方法，焊接件应优先选用低合金高强度结构钢材料和自动、半自动的埋弧焊、气体保护焊等方法制造毛
机械零件的选材 在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一 项十分重要的工作。机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。 1、工程材料的强化方式： 固洛强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强 化、复合强化。 2、工程材料的韧化途径： 细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。 一、选材的基本原则 大满足机件的使用性能要求 大较好的加工工艺性 大较好的经济性 1、材料的使用性能应能满足使用要求 使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据 ——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。 (1)从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求 ①承受载荷的类型及大小一一如承受持久作用的静载荷，对弹性
或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。 ②工作环境一一温度、介质的性质等 ③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、夕卜观等 失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损 坏的原因。如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。 （2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求 使用性能要求T可测的实验室性能指标 T初选 一般根据设计手册的数据选材，应注意： *材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。 *材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。 *材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的 波动范围 只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能 选材是偏安全的 手册一般给出：os、（rb、a、p、ak 目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、 非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。
机械零件选材及热处理手册 ============= 1. 第一章：概述 -------- 本手册旨在为机械零件的选材和热处理提供全面的指导和建议。选材和热处理是机械零件制造过程中的两个关键环节，直接影响到零件的性能和质量。本手册将帮助读者了解各种机械零件的选材和热处理要求，并提供实用的操作方法和技巧。 2. 第二章：机械零件的选材 ------------- 本章将介绍不同类型机械零件的选材要求。首先，将讲解各种材料的性质和特点，如碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金等。然后，将详细阐述不同类型零件的选材要求，如齿轮、轴、轴承、活塞等。此外，还将讨论选材的经济性和环保性。 3. 第三章：热处理的基本原理 ------------- 热处理是机械零件制造过程中的一个重要环节。本章将介绍热处理的基本原理和工艺，包括加热、保温和冷却三个阶段。此外，还将讲解各种热处理方法及其对零件性能的影响，如退火、正火、淬火、回火等。 4. 第四章：热处理的实践操作 ------------- 本章将详细介绍各种热处理设备的操作方法和技巧。首先，将讲解热处理设备的种类和特点，如炉、罐、箱子等。然后，将详细阐述各种设备的操作流程和注意事项，如炉子的加热方法、冷却速度的控制、淬火液的选择等。此外，还将讨论热处理过程中的质量控制和安全问题。 5. 第五章：热处理的质量控制 ------------- 本章将介绍热处理过程中的质量控制方法和技巧。首先，将讲解各种检测手段在热处理过程中的作用和应用，如显微镜、硬度计、X射线等。然后，将详细阐述各种质量控制方法的操作流程和注意事项，如炉温的监控、淬火液的浓度控制、金相组织的检验等。此外，还将讨论热处理缺陷的产生原因和预防措施。 6. 第六章：案例分析与实践经验 -------------- 本章将通过实际案例分析，介绍各种机械零件的热处理实践经验。首先，将选取具有代表性的零件进行案例分析，如齿轮、轴、轴承、活塞等。然后，将详细阐述这些零件的热处理要求、工艺流程、注意事项等。此外，还将总结一些实用的实践经验，以供读者参考。 7. 第七章：热处理的环保与节能 ------------- 本章将介绍热处理过程中的环保和节能措施。首先，将讲解热处理过程中产生的污染和废弃物，如废气、废液、废渣等。然后，将详细阐述各种环保和节能措施的操作方法和效果，如废气处理装置的使用、新型环保淬火剂的研发、能源回收技术的应用等。此外，还将讨论热处理行业的未来发展趋势。 8. 第八章：未来展望与发展趋势 -------------- 本章将介绍热处理行业的未来发展趋势和研究方向。首先，将讨论各种新材料和新工艺的发展和应用前景。然后，将阐述各种先进的检测手段和质量控制方法的发展趋势和应用前景。此外，还将讨论热处理过程中的智能化和自动化技术的应用和发展方向。最后，将对全书进行总结并展望未来热处理行业的发展趋势。
附录A 机械零件的常用材料 机械零件的常用材料分为金属和非金属两大类。其中，金属材料应用最广，非金属材料以其独特的性能也日益显示出广阔的应用前景。金属材料包括黑色金属（钢、铸铁）和有色金属，前者应用最多。此外，近年来复合材料的研究与开发，也已成为材料科学的一个新方向。下面简要介绍机械零件的常用材料及其应用。 A.1 钢钢的品种多，性能好，是机械零件最常用的材料。 A.1.1 碳素钢碳素钢的性能主要取决于含碳量，即碳的质量百分含量。含碳量越高，钢的强度越高，塑性越低。由于碳素钢生产批量大，价格低，供应充足，一般的机械零件应优先选用。碳素钢分为碳素结构钢（GB/T 700—1988GB/T 699—1988）。前者主要用于受力不大而且基本上是承受静载荷的零件，其中以Q235、Q255较为常用。等杂质较少，其性能优于碳素结构钢，而且能同时保证钢的机械性能和化学成分，可以进行热处理，故常用于受力较大，且受变载荷或冲击载荷作用的零件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，代表钢中碳的平均含量。如45钢，其平均含量碳为0.45%。对于含锰量较高的优质碳素结构钢，其牌号还要在含碳量数字之后加注符号“Mn ”，如40Mn 等。平均含碳量低于0.25%0.25%～0.60%母、齿轮、键、轴等零件；平均含碳量高于0.60%弹性，是弹簧、钢丝绳等零件的常用材料。
低韧性。应当指出，合金钢的性能不仅与化学成分有关，在很大程度上还取决于适当的热处理。由于合金钢价格较贵，通常只用于制造重要的或具有特殊性能要求的机械零件。 含各主要合金元素的符号及其含量，而且规定：合金元素平均含量低于1.5%时，不注含 机械设计基础 ·270· ·270· 量，当平均含量在1.5%～2.5%、2.5%～3.5%、3.5%～4.5%、… 时，以相应数字2、3、4、…表示。例如40SiMn2，其成分的平均含量为碳0.40%，硅低于 0.15%，锰在1.5%～2.5%之间。 A.1.3 铸钢主要用于制造承受重载荷的大型零件或形状 承受重载荷的大 型联器锻减振ZG ”后加注两组数字，如ZG310—570，表示屈服点为310MPa ，抗拉强度为570MPa 。 铁 铸铁和钢都是铁碳合金，区别在于含碳量不同。含碳量高于2%的铁碳合金称为铸铁， 反之称为钢。铸铁是脆性材料，其抗拉，不能进行碾压和锻造，但其减振性和耐磨性较好，成本较低。另
机械设计中的材料选择原则 在机械设计领域，材料选择是保证产品性能和功能的关键因素之一。不同材料具有不同的物理、化学和力学特性，因此在设计过程中，合 理选择材料是确保产品稳定性和可靠性的重要步骤。 一、机械材料的分类 机械材料主要分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括钢铁、铜、铝、镁等，其具有良好的导热性、导电性和可塑性。非金属 材料则包括塑料、复合材料、陶瓷等，具有较低的密度和化学稳定性。 二、机械材料选择的原则 1. 功能需求：首先要考虑的是产品的功能需求。根据零件在设计中 的作用和要求，选择具有相应性能的材料。例如，在承载部件中，应 选择具有较高强度和硬度的材料，而在密封件中则应选择具有良好密 封性的材料。 2. 环境因素：考虑使用环境对材料的影响。机械零件在不同的工作 环境中可能面临不同的温度、湿度、腐蚀等因素，因此材料的抗腐蚀性、耐热性和耐候性等特性需要与环境要求相匹配。 3. 成本效益：在材料选择中也需要考虑成本效益。不同材料的成本 差异很大，因此应在满足产品需求的前提下，选择较为经济合理的材料。
4. 生产工艺性能：材料的生产工艺性能也是需要考虑的因素之一。 例如，某些特殊材料可能需要特殊的加工方法或设备，这将对生产成 本和周期产生影响。 5. 可靠性和耐久性：在机械设计中，可靠性和耐久性是至关重要的。因此，在材料选择过程中，应考虑材料的疲劳寿命、抗氧化能力以及 强度稳定性等因素。 6. 配合要求：考虑到零件之间的配合要求，材料的摩擦系数、磨损率、粘合性等特性也需要纳入考虑范围。 三、不同应用场景下的材料选择 1. 强度要求较高的零件：对于需要承受较大载荷的零件，如传动齿轮、曲轴等，常选用高强度的合金钢或铝合金。 2. 耐磨损零件：对于需要具备耐磨损性能的零件，如轴承和齿轮， 常采用表面硬化处理或选择硬度较高的材料，如工具钢、铁素体不锈 钢等。 3. 密封件：在设计密封件时，要选择密封性能好的材料，如橡胶、PVC、尼龙等。 4. 高温工况下的材料选择：对于在高温工况下需要使用的零件，如 燃气涡轮机叶片等，可选择高温合金或陶瓷材料。 5. 轻量化要求：为了降低产品自重，如航空航天器械零件、汽车等，可选择轻质材料，如钛合金、高强度铝合金等。
机械零件毛坯选择 机械零件的制造包含毛坯成形与切削加工两个阶段，毛坯成形不仅对后续的切削加工产生很大的影响，而且对零件乃至机械产品的质量、使用性能、生产周期与成本等都有影响。因此，正确选择毛坯的类型与生产方法关于机械制造具有重要意义。本章将着重介绍毛坯选择的原则及典型机械零件毛坯的选择。 5.1 毛坯选择的原则 机械零件常用的毛坯类型有铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金件与注射成型件等，每种类型的毛坯都能够有多种成形方法，在选择时我们遵循的原则是：在保证毛坯质量的前提下，力求选用高效、低成本、制造周期短的毛坯生产方法。通常毛坯选择步骤是：首先由设计人员提出毛坯材料与加工后要达到的质量要求，然后再由工艺人员根据零件图、生产批量，并综合考虑交货期限及现有可利用的设备、人员与技术水平等选定合适的毛坯生产方法。具体要考虑的因素有下列几方面： 5.1.1 满足材料的工艺性能要求 金属是制造机械零件的要紧材料，一旦材料确定后，其材料的工艺性能就是影响毛坯成形的重要因素，表5.1.1给出了常用金属材料所适用的毛坯生产方法。
注：表中“⊙”表示材料适宜或者能够使用的毛坯生产方法。 5.1.2 满足零件的使用要求 零件的使用要求要紧包含零件的结构形状与尺寸要求、零件的工作条件（通常指零件的受力情况、工作环境与接触介质等）与对零件性能的要求等。 1. 结构形状与尺寸的要求机械零件由于使用功能不一致，其结构形状与尺寸往往差异较大，各类毛坯生产方法对零件结构形状与尺寸的习惯能力也不相同，因此选择毛坯时，应认真分析零件的结构形状与尺寸特点，选择与之相习惯的毛坯制造方法。关于结构形状复杂的中小型零件，为了使毛坯形状与零件较为接近，应先确定以铸件作为毛坯，然后再根据使用性能要求等选择砂型铸造、金属型铸造或者熔模铸造。关于结构形状很复杂且轮廓尺寸不大的零件，宜选择熔模铸造；关于结构形状较为复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求较高的中小型零件，宜选择模锻件毛坯；关于那些结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的零件，宜选择组合毛坯。 2. 力学性能的要求关于力学性能要求较高，特别是工作时要承受冲击与交变载荷的零件，为了提高抗冲击与抗疲劳破坏的能力，通常应选择锻件，如机床、汽车的传动轴与齿轮等；关于由于其它方面原因需使用铸件的，但又要求零件的金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择相应的能满足要求的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造与离心铸造等。 3. 表面质量的要求为降低生产成本，现代机械产品上的某些非配合表面有尽量不加工的趋势，即实现少、无切屑加工。为保证这类表面的外观质量，关于尺寸较小的有色金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或者精密模锻；关于尺寸较小的钢铁件，则宜选择熔模铸造（铸钢件）或者精密模锻（结构钢件）。 4. 其它方面的要求关于具有某些特殊要求的零件，务必结合毛坯材料与生产方法来满足这些要求。比如，某些有耐压要求的套筒零件，要求零件金相组织致密，不能有气孔、砂眼等缺陷，则宜选择型材（如液压油缸常使用无缝钢管）；假如零件选材为铸铁，则宜选择离心铸造（如内燃机的汽缸套，其材料为QT600－2，毛坯即为离心铸造铸件），关于在自动机床上进行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度较高，故宜使用冷拉型材，如微型轴承的内、外圈是在自动车床上加工的，其毛坯使用冷拉圆钢。
机械工程材料的选用原则 材料的选用 教学目的及要求 通过本章学习，使学生了解零件的失效形式与提高材料性能的途径，掌握零件选材的一般原则和方法。主要内容 1．零件的失效形式与提高材料性能的途径2．零件选材的一般原则和方法3．典型零件的选材及应用实例学时安排 2学时教学重点 1．零件的失效形式与提高材料性能的途径2．零件选材的一般原则和方法教学难点 零件的失效形式与提高材料性能的途径教学过程 第一节选材的一般原则 一.材料的使用性能――选材的最主要依据 指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表征机械性能的参数主要有强度极限σb、弹性极限σe、屈服强度σs 或σ 0.2 、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。 这些参数中强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。 附表：几类典型零件的工作条件失效形式及主要机械性能指标 可以看出，在设计机械零件和选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式，找出对材料机械性能的要求，这是材料选择的基本出发点。 二.材料的工艺性能
材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。 1 典型零件工作条件失效形式过量塑性变形或由疲劳而造成破断齿面过度磨损、疲劳麻点、齿的折断颈部摩擦、过度磨损、疲劳破断而失效弹性丧失或疲劳破断重要螺栓承受交变拉应力重要传动齿轮承受交变弯曲应力、交变接触压应力、齿面受滚动摩擦冲击载荷曲轴轴类承受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷弹簧交变应力、振动滚动轴承点线接触下的交变压应力、滚动摩擦过度磨损、疲劳破断而失效主要力学性能指标σ0.2、HBSσ-1p σ-1、σbb、HRC、接触疲劳强度σ0.2、σ-1、HRC σs／σb、σe、σ-1p σbc、σ-1、HRC 注：σ σ -1p 为抗压或对称拉伸时的疲劳强度；σ -1 光滑试样对称弯曲应力时的疲劳强度；σ bb 抗弯强度； bc 抗压强度。 （1）铸造性能：一般是指熔点低、结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。如：合金中共晶成分铸造性最好。 （2）压力加工性能：是指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好、加工表面质量高，不易产生裂纹；而热变形性能好的标志是接受热变形的能力好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。 （3）切削加工性能：刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度