零件的选材
机械零件的选材
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——温度、介质的性质等③特殊要求的性能——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→可测的实验室性能指标→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：σs 、σb 、δ、ψ、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。
机械零件的选材及热处理工艺
第十章机械零件的选材及热处理工艺【重点内容】1.选材的原则及方法；2.典型零件的选材及工艺路线制定；【本章难点】选材的原则及工艺过程的分析。
【基本要求】1.熟悉选材过程；2.正确分析各热处理工序的作用；在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
因为设计时不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。
【选材的一般原则】1．材料的机械性能：在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料主要机械性能指标，查手册找出适合其性能要求的材料，这是保证零件经久耐用的先决条件。
如：一些轴类零件，工作条件（受力情况）是交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷、磨损。
主要损坏形式是疲劳破析、过度磨损，要求的主要机械性能指标是屈服强度σ0.2，疲劳强度σ-1，硬度（HRC）。
因此，这些机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
而且同时还应考虑到短时过载、润滑浪、材料内部缺陷等因素的影响。
在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。
生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度的检验可以不破坏零件，而且硬度与其它机械性能之间存在一定关系。
因此零件图纸上一般以硬度作为主要的热处理技术条件。
如：σb与HB关系低碳钢σb =3.6HB 高碳钢σb=3.4HB合金调压钢σb =0.33HB 铸铁σb=640HBσ0.2与σb关系普通碳素钢σ0.2≈(0.5~0.55) δb优质碳素钢σ0.2≈0.6δb普通低合金钢σ0.2≈(0.65~0.75) δb合金结构钢σ0.2≈0.7δbσ-1与σb关系钢(HRC＜40) σ-1≈(0.49±0.13) δb铸铁σ-1≈(0.3~0.5) δb有色金属σ-1≈(0.3~0.4) δb2. 材料的工艺性能：现代工业所有的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
10种机械设计常用材料
1、45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。
主要特征:最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。
小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。
应用举例:主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。
轴、齿轮、齿条、蜗杆等。
焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。
2、Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢。
主要特征:具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。
应用举例:广泛用于一般要求的零件和焊接结构。
如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。
3、40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。
主要特征:经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。
应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。
4、HT150——灰铸铁应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等5、35——各种标准件、紧固件的常用材料主要特征:强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。
冷态下可局部镦粗和拉丝。
淬透性低，正火或调质后使用应用举例:适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件6、65Mn——常用的弹簧钢应用举例:小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧，卡簧等。
机械零件的常用材料及其选择
表9-2 价格便宜且供应充分 常用材料的相对价格
材料
种类规格
相对价格
热轧圆刚
铸件
景德镇陶瓷学院专用
碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 优质碳素钢 （φ 29~50） 合金结构钢（φ 29~50） 滚动轴承钢（φ 29~50） 合金工具钢（φ 29~50） 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50）
灰铸铁铸件 碳素钢铸件
优先数----表中任意一个数值。 大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000 。
景德镇陶瓷学院专用
国防科大潘存云教授研制
7 机械零件的工艺性及标准化
一、工艺性
零件设 计要求
使用要求----具备所要求的工作能力； 制造要求----制造工艺可行，成本低；
EF G
H JS
零线
轴公差
h KM
P
D
R S
间隙配合 过渡配合
过盈配合
景德镇陶瓷学院专用
国防科大潘存云教授研制
基孔制常用与优先配合的选用
景德镇陶瓷学院专用
国防科大潘存云教授研制
基轴制常用与优先配合的选用
景德镇陶瓷学院专用
国防科大潘存云教授研制
二、 表面粗糙度
定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度 特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。
下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei
尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即
允许的尺寸变动量。
公差=Lmax- Lmax =ES-EI =es-ei
景德镇陶瓷学院专用
国防科大潘存云教授研制
零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；
公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；
机械零件选材原则及工艺设计
机械零件选材原则及工艺设计机械零件的选材原则及工艺设计在机械设计中，选择合适的材料和有效的工艺是非常重要的，因为这直接影响了零件的质量、性能和使用寿命。
下面是一些机械零件选材原则及工艺设计的重要考虑因素。
1. 材料的机械性能：机械零件必须具有足够的强度、硬度和耐磨性，以承受预期的工作载荷和环境条件。
因此，在选择材料时，应该考虑其拉伸强度、屈服强度、断裂韧性和硬度等机械性能指标。
2. 材料的耐腐蚀性：机械零件往往要在各种恶劣的环境条件下工作，如高温、湿度或腐蚀性介质。
因此，应选择具有良好耐腐蚀性能的材料，以保证零件的长期稳定性和可靠性。
3. 材料的热处理性：有些机械零件需要进行热处理，以改善其机械性能和硬度。
因此，在选材时，应选择适合热处理的材料，以便在工艺设计中能够获取所需的材料性能。
4. 材料的可加工性：机械零件的制造通常需要各种加工操作，如切削、铣削、焊接等。
因此，材料的可加工性也是选材的重要因素，应选择易于加工的材料，以保证制造成本和质量。
5. 材料的经济性：在选材时，还必须考虑材料的成本因素。
有时候，高性能材料可能很昂贵，但在某些应用中，可以使用性能适当的低成本材料来替代。
工艺设计也是机械零件设计中重要的一环。
下面是一些常见的工艺设计考虑因素：1. 制造工艺的可行性：在工艺设计中，应考虑零件的复杂度和制造难度。
有时候，可能需要进行多道复杂的加工操作，而在其他情况下，使用简单的加工过程就可以完成。
因此，在工艺设计中应选择最合适和最经济的制造工艺。
2. 精度要求：机械零件的精度直接影响其质量和功能。
因此，在工艺设计中，应根据零件的功能需求和装配要求，确定适当的制造精度和加工工艺。
3. 工艺的可重复性和稳定性：工艺的可重复性和稳定性对零件的质量和一致性至关重要。
因此，在工艺设计中，应选择稳定可靠的加工工艺和设备，以确保批量生产的一致性和质量可控。
总之，在机械设计中，选材和工艺设计是同等重要的。
典型零件的选用
轴类零件材料总结
• 1.优质碳素钢： 35、40、45、50钢等，其中45钢最常用。 一般要经正火、调质或表面淬火热处理。 • 2.合金钢： 20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。 采用合金钢必须采取相应的热处理。 • 3.球墨铸铁或可锻铸铁： QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4 等 。
轴类零件选材（常用材料-钢铁）
2 ．铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如 ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。 3．铸铁 由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故 近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸
铁(HT350、KTZ550—06等)来代替钢作为轴(尤其是曲轴)的材料。 铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、 切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。
轴类零件选材
轴类零件选材
轴类零件选材
轴类零件选材
轴类零件选材（典型材料）
轴类零件选材（综述）
① 以刚度为主、轻载的轴，为降低成本，可选用碳钢(如45钢)、 铸铁(如QT700-2)、普通质量碳钢(如Q275)制造；一般进行正火 或调质处理，若提高相对运动部位的耐磨性，可表面淬火。 ② 以耐磨性为主的轴， 可选碳含量较高的钢(如 65Mn、9Mn2V)或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其中精 度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。 ③ 主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr 即可；而对受拉-压载荷的轴，当其尺寸较大、形状较复杂时， 则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。 ④ 主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。
典型零件选用
高速切削用的刃具
(高速车刀、钻头、铣刀等 T工作< 600 ºC)
性能——高硬度、高耐磨性，高热硬性、高精度；较高的强度、韧性
选材——高速钢(W18Cr4V
工艺
、W6Mo5Cr4V2等) 、硬质合金、 陶瓷
——锻造→球化退火→粗加工→淬火+回火→精加工→表面处理
4.箱体类
1.齿轮类零件
机床齿轮
工作条件:
性能指标: 选材
转速中等，载荷不大，工作平稳，无强烈冲击
心部HBS220~250，齿面硬度≥HRC52 40Cr 锻造→正火→粗加工→调质→精加工 →轮齿高频淬火及低温回火→精磨
: 45、 :
工艺路线
最终组织
:
心部：回火S
齿面：回火M
说明：冲击小的低速齿轮可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等
——锻造→球化退火→机加工→淬火—低温回火
最终组织
—— 回火M+颗粒状碳化物+A’
低速切削、形状较复杂的刃具
（丝锥、板牙、拉刀等 T工作< 300 ºC）
性能——高硬度、高耐磨性，一定的热硬性和韧性 选材——9SiCr、CrWMn
工艺
——锻造→球化退火→机加工→淬火—低温回火
——回火M+颗粒状碳化物+A’
需要高的屈服强度和疲劳强度
选材——轻型汽车65Mn、60Si2Mn
中型或重型汽车50CrMn, 55SiMnVB 重型载重汽车55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb
工艺
——下料 → 压力成型→淬火+中温回火→喷丸强化
—— 回火T
板弹簧
机械工程材料第6章典型零件选材
表6.1
工作条件 ①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速低 ③精度要求不高 ④稍有冲击
表6.1 机床主轴工作条件、用材及热处理
材料 45 主要热处理 正火或调质 硬度 220~250 HBS 使用实例 一般简式机床
①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速略高 ③精度要求不太高 ①与滑动轴承配合 ②有冲击载荷 ①与滚动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求较高 ④冲击与疲劳较小 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求很高 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，心部强度不高，转 速高 ③精度要求不高 ④有一定冲击和疲劳 ①与滑动轴承配合 ②重载荷，转速高 ③有较大冲击和疲劳载荷
2、轴类零件选材及加工工艺路线确定步骤
1）看懂零件图 了解和分析零件的形状、大小与特征； 2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求； 3）确定材料及热处理工艺 根据用途，选择合适的材料和强 化工艺； 4）确定零件的加工工艺路线 制造轴类零件常采用锻造、切 削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中 切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺 寸变化不大的非重要轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒料直 接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。
右图为“解放”牌载重汽车变速箱变速 齿轮。该齿轮将发动机动力传递到后轮， 并起倒车的作用，工作时承载、磨损及 冲击负荷均较大。要求齿轮表面有较高 的耐磨性和疲劳强度，心部有较高的强 度(σb > 1 000 MPa)及韧性(αk＞60 J／ cm2)。 选材及加工工艺路线有以下两种方式。
“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮选材及加工工艺路线
2）汽车半轴： 汽车半轴是一个传递扭矩的重要 部，工作时承受冲击、弯曲疲 劳和扭转应力的作用，要求材 料有足够的抗弯强度、疲劳强 度和较好的韧性。
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例如：弹簧 弹簧，主要功能是起缓冲、减振和 弹簧
传递力的作用，故要求所用材料既要有高的弹 性又不能发生塑性变形。 虽然降低材料的E有利于提高弹性比功， 但E低的塑料、橡胶、低熔点金属等的屈服极 限也低。
工程结构中，弹簧用材料，一般为弹性 模量较大、弹性极限及屈服强度较高的材料。 如：汽车板簧，选用合金弹簧钢并经淬 火＋中温回火处理得到T回组织，具有高的弹 性极限及屈服强度。 碳纤维增加复合材料屈服强度高、密度 小、质量轻，也是板簧的理想材料，但成本 高，目前尚末广泛应用。
过 量 弹 性 变 形 过 量 塑 性 变 形 韧 性 断 裂 脆 性 断 裂
断裂
低 应 力 脆 断 疲 劳 断 裂 蠕 变 断 裂 应 力 腐 蚀 断 裂
表面损伤
磨 损 接 触 疲 劳 腐 蚀
失效分析基本步骤： 失效分析基本步骤：
1) 收集失效零件的残骸并拍照记录失效实况， 找出失效的发源部位或能反映失效性质或 特点的地方，然后在该部位取样。 2) 详细查询并记录、整理失效零件的有关资 料，从设计、加工、使用等方面进行全面 分析。 3) 试样宏观及微观断口分析，以及必要的金 相分析，确定失效发源地及失效方式。
4l F ∆l = Et 3
3
轴的尺寸（l、t）及外载（F）不变时 三 者 的 E 分 别 为 ： 21 、 7 、 0.35 （ ×107 ） MPa，所以产生的挠曲变形量之比为1：3：60。 显然，钢的刚度最大，最合适。在给定变形 量和外载的条件下，尺寸最小。
如果在刚度设计时，还要考虑 零件的重量轻，则不能仅比较材料 的刚度，还要考虑其密度，必须按 比刚度来选材。 比刚度与材料的弹性模量、密 度及加载方式有关。
加载方式对比刚度及比强度和比脆断强度的影响
加载方式
拉棒 扭转棒或管 受弯杆或管 受弯板 纵向受压板 受内压或旋转缸体 受内压球体
比刚度
比屈服强度
比脆断强度
E/ρ
G/ρ
E /ρ
σs / ρ
K IC / ρ
σ s2 / 3 / ρ σ s2 / 3 / ρ
K IC 2 / 3 / ρ
K IC / ρ K IC / ρ
经断口分析表明，断裂是从焊缝中 微小半椭圆形裂纹处开始的，根据断裂力 学计算，平板表面半椭圆形裂纹前沿的应 力强度因子为：
K I = 1.5σ a
如果a=1.5mm，则KI＝67MPa.m1/2， 故壳体材料应选择KIC为68MPa.m1/2以上的 材料，才能防止脆断。
选择屈服强度1800MPa的超高强钢， 其KIC 约为50～60MPa.m1/2 ，即KI>KIC ，故 会产生脆断。 若提高安全系数，选用强度更高的 材料，则其KIC 更低，所以，在更低的应 力下就会产生脆断。 相反，降低安全系数k=1.1，则可选 择屈服强度为1300MPa左右的钢，其KIC达 到93MPa.m1/2左右，此时， KI<KIC ，故结 构是安全的。而且成本大大降低。
例如：火箭发动机壳体是用高强度薄钢
板焊接制成的，工作应力σ＝1200MPa。 为了减轻自重，应选择高强度材料； 为防止强度不足，安全系数k取1.5，则 应选用σs＝1800MPa的超高强度钢。 但是，壳体在打压试验时，在应力远低 于工作应力的情况下发生爆裂。 依据经典的设计思想，认为安全系数太 小，于是加大安全系数，选用强度更高的超 高强钢，但是发生爆裂的应力更低。
（二）冲击韧性指标
冲击韧性指标AK或aK是表征在有缺口时材 料塑性变形能力的指标。它反映了应力集中和 复杂应力状态下材料的塑性，且对温度很敏感， 因此，在一定程度上弥补了δ、Ψ的不足。 在设计中，对于脆断是主要危险的零件， 冲击韧性是判断材料脆断抗力的重要性能指标。 但是， AK或aK不能直接定量地用于设计，只能 凭经验提出对冲击韧性值的要求。
第十二章 零件的选材 及工艺路线
常用力学性能指标在选材中的意义 断裂韧度在选材中的意义 零件实物性能试验的重要性 材料强度、塑性与韧性的合理配合 选材方法 典型零件选材及工艺路线
第一节 常用力学性能指标在选材中的意义
刚度 强度 常用力学 性能指标 硬度 塑性 韧性
E/G σ b、 σ s HBS、HRC δ、Ψ Ak、ak
弯曲疲劳极限 MPa
光滑试样
未压配合的轴
光滑轴 开卸载槽轴
压配合的轴
光滑轴 开卸载槽轴
280
240
240
91
155
二、加工工艺对性能的影响 加工工艺不良产生的缺陷，如锻造、 热处理、焊接产生的过热、过烧、氧化、 脱碳、裂纹，机加工产生的刀痕及磨削裂 纹等，都会使零件的性能下降。 模锻
引起脱碳 调质40Cr钢试样、汽车半轴弯曲疲劳强度 钢试样、 调质 钢试样
通常，材料的强度与塑性、韧性是相互 矛盾的。 为确保安全，通常规定较高的塑性和冲 击韧性，而牺牲强度。导致零件笨重； 或者选用强度和塑性、韧性都很好的高 级合金钢或其它高级材料，致使零件成本增 加，浪费材料。 有时过高的塑韧性未必能保证零件的安 全可靠，因为大多数机件的断裂是由高周疲 劳引起的，因强度不足发生早期疲劳断裂时， 往往材料的塑韧性还有余。
第二节 断裂韧度在选材中的意义
一些高强度钢制造的结构和中低强度 钢制造的大型锻件，由于在材料制备和冷、 热加工过程中不可避免地会产生一些缺陷和 裂纹，严重时将导致发生低应力脆断。 经典的设计无法避免低应力脆性断裂。 故在这类零件的设计中，选用断裂力学参量 -应力强度因子KI作为设计准则：
K I ≤ K IC
例如：柴油机的曲轴、连杆和万能铣
床的主轴。 过去为追求高的塑韧性，选用45钢调 质处理，以获得优良的综合力学性能，但 失效分析表明：这类零件的断裂方式大多 为疲劳断裂，不必追求高的塑韧性。 现改用球墨铸铁制造，完全可满足性 能的要求，简化了加工工序，降低了成本。
材料的强度、塑性、 材料的强度、塑性、韧性必须合理配合 以 高 周 疲 劳 断 裂 为 主 的 零 件 ， σb <1400MPa时，材料的强度愈高，疲劳强度亦 愈高，零件的寿命愈长，因此提高强度、适 当降低塑韧性是有利的。 这类低中强度材料的KIC较高，除低温或 尺寸较大的零件外，不易发生脆断，故可用 经典方法来设计和选材，提高强度可提高零 件的许用应力和减轻自重。
Fl ∆l = EA
F：外力 Mn：扭矩
零件尺寸
4l 3 F ∆l = Et 3
l：零件长度 A：截面积 t：截面尺寸 Ip：极惯性矩
Mn θ= GI p
在零件刚度设计时要综合考虑： 外载、零件尺寸和材料刚度三个 方面的因素。
材料刚度
E、G
例如：一根承受弯曲载荷的轴，进行挠曲弹性
变形刚度设计，现有钢、铝合金、聚苯 乙烯三种材料可供选择。
试 样
弯曲疲劳极限 MPa
光滑试验 未脱碳 546 脱碳 245
半轴 未脱碳 420~490 脱碳 91~102
材料强度、 第四节 材料强度、塑性与韧性的合理配合
经典的零件设计方法 首先是以材料的强度指标σb、σs或σ-1 为依据进行强度计算； 然后再考虑零件在油孔、键槽、尖 角等处有应力集中和工作时会遇到 难以预料的过载或偶然的冲击等情 况，再凭经验对材料的塑性、韧性 提出一定的要求。
二、硬度和强度指标
（一）硬度指标 硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的 性能指标。是工业生产上控制和检查零件 质量的最常用、最简便的方法。 通常采用以淬火钢球或金刚石压头， 用一定的载荷压入材料表面的方法来测量 硬度。
硬度测试方法
布氏硬度HBS 淬火钢球压头 洛氏硬度HRC 锥角为120°的金刚石圆锥体压头 维氏硬度HV 锥角为136°的金刚石四棱锥体压头
一、刚度与弹性指标
（一）刚度指标 刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能 力。 零件刚度设计：零件的最大弹性变形量∆L 或最大扭转角θ必须小于许用弹性变形量[∆L]或 扭转角[θ]，即：
零件结构在 外载作用下 的变形量
θ ≤ [θ
∆ l ≤ [∆ l ]
]
产品要求
外加载荷
由材料力学知： 拉压 弯曲 扭转
第三节 零件实物性能试验的重要性
由于结构设计和加工工艺对材料的性 能有显著影响，所以材料的实验室性能和 真实零件的性能有时会有很大的差异。 一、结构设计对性能的影响 在零件结构设计上的尖角、油孔、过 小的过渡圆角等不合理的设计，会在这些 地方产生应力集中，便零件的性能低于实 验室小试样的性能。
正火45钢试样、 正火 钢试样、轴、压配合轴弯曲疲劳极限 钢试样 试 件
第五节 选材方法
在工程结构和机械零件设计与制造中， 合理选择材料是十分重要的。选材基本原则： 材料的使用性能、工艺性能、经济性。 一、根据材料的使用性能选材 使用性能是材料在零件工作（使用）过 程中所应具备的性能（力学性能、物理性能、 化学性能），是选材的主要依据。 不同零件要求不同的使用性能。
选材时，首先必须准确判断零件所要求 的使用性能，然后再确定所选材料的主要性 能指标及具体数值并进行选材。 依据使用性能选材的具体方法 1. 分析零件的工作条件，确定作用性能 分析零件的工作条件， 受力分析；工作环境；特殊性能要求； 在此基础上确定零件的使用性能。
（二）强度指标
σs
σ ≤ [σ ] =
k
σb
k
韧性材料 脆性材料
三、塑性和冲击韧性指标
（一）塑性指标
塑性指标δ、Ψ是材料产生塑性变形使应 力重新分布而减小应力集中的能力的量度。 在设计时要求材料达到所要求的δ、Ψ。 由于δ、Ψ是在单向拉伸应力状态下材料 的塑性，不能表示复杂应力状态下材料的塑性， 也不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸等 的影响。
2. 失效分析，确定零件的主要使用性能 失效分析，
失效分析的目的是：找出产生失效 的主导因素，为较准确的确定零件主要 使用性能提供经过实践检验的可靠依据。 零件失效方式多种多样，根据零件 承受载荷的类型和外界条件及失效的特 点，可将失效分为三大类： 过量变形、断裂、表面损伤。