第十一章 机械制造中零件材料的选择
机械设计基础--第十一章(轴 承)
（第十一章）
第十二章 轴 承
一、基本内容及学习要求 二、学习指导 三、典型实例分析 四、复习题 五、复习题参考答案
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一、基本内容及学习要求
1．基本内容 ⑴ 滑动轴承的结构类型及特点； ⑵ 轴瓦的材料与结构； ⑶ 滑动轴承的润滑； ⑷ 非液体摩擦滑动轴承的计算； ⑸ 滚动轴承的类型及特点，滚动轴承的代号； ⑹ 滚动轴承的类型选择； ⑺ 滚动轴承的失效形式； ⑻ 滚动轴承的疲劳寿命计算和静强度计算。
二、学习指导
4. 轴瓦。 轴瓦是滑动轴承中的关键零件，其工作表面既是承载表面， 又是摩擦表面。因此，轴瓦的材料选取是否适当以及结构是否 合理，对滑动轴承的性能将产生很大的影响。
⑴ 轴瓦和轴承衬的材料
① 对轴承材料的基本要求是：要有足够的强度；良好的减 摩性和耐磨性；良好的塑性、顺应性和嵌入性；良好的导热性 和抗胶合性。
b) 钠基润滑脂：有较好的耐热性（使用温度可达 140oC ），但耐水性较差；
c) 锂基润滑脂：其耐热性和耐水性都较好，使用温 度在－20oC~150oC 。
二、学习指导
润滑脂常用于低速、重载和为避免润滑油流失或不易 加润滑油的场合。
润滑脂的主要性能指标是针入度和滴点。针入度表示 润滑脂的粘稠程度，它是用150g的标准圆锥体放于25oC的 润滑脂中，经5s后沉入的深度（单位为 0.1mm）表示。针 入度愈小，则润滑脂越粘稠。滴点是指润滑脂在滴点计中 受热后滴下第一点油时的温度，滴点标志润滑脂的耐高温 能力。选用时应使润滑脂的滴点高于工作温度20oC以上。
二、学习指导
③ 固体润滑剂。固体润滑剂有石墨、二硫化钼（MoS2）、 聚四氟乙烯等。它通常与润滑油或润滑脂混合使用，也可以单 独涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜，或者混入金属或塑料粉 末中烧结成形，制成各种耐磨零件。石墨性能稳定，在 350oC 以上才开始氧化 ，并可在水中工作。聚四氟乙烯摩擦因数低， 只有石墨的一半。二硫化钼吸附性强，摩擦因数低，适用温度 范围广（－60oC~300oC ），但遇水后性能会下降。
机械设计基础(零件)填空题(附答案)
《机械设计基础》填空部分复习题第九章1、机械零件由于某种原因，不能时，称为失效。
机械零件在的条件下，零件能安全工作的限度，称为工作能力。
2、若两个零件在受载前是接触或接触，受载后接触变形处为一小面积，在这小面积上产生的局部应力称为应力，如等零件工作时就有这种应力作用。
对高副接触的零件，在外载荷作用下，接触处将产生应力，从而将引起零件的破坏。
两零件高副接触时，其最大接触应力取决于，及度上的载荷。
两零件高副接触时，其接触应力随接触点，线处的曲率半径增大而；随材料的弹性模量减小而；随单位接触宽度载荷的增大而。
零件的表面硬度，接触表面的综合曲率半径，可以提高零件的接触疲劳强度。
2、材料发生疲劳破坏时的应力循环次数N必于该材料的循环基数N0；由于，和等因素的影响，零件的疲劳极限必小于其材料的疲劳极限。
3、随时间变化的应力称为变应力，具有周期性变化的变应力称为循环变应力。
按照随时间变化的情况，应力可分为和。
变应力可归纳为变应力、变应力和变应力三种基本类型。
变应力的五个基本参数是σmax、σmin、σm、σa、r。
应力循环中的与之比，可用来表示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性r。
当r=+1表示为应力，r=0表示为应力，它的σmin=，σm=σa=；当r=-1表示为应力，它的σmax=σa；σm=；非对称循环变应力的r变化范围为和之间。
4、在变应力中，表示与力循环次数之间的关系曲线称为材料的疲劳曲线。
在变应力作用下，零件的主要失效形式是。
在静应力下，塑性材料的零件按不发生条件进行强度计算，故应取材料的作为极限应力；而脆性材料的零件按不发生的条件进行计算，故应取材料的作为极限应力。
变应力下，零件的许用极限应力与零件材料的疲劳极限有关，同时还应考虑系数、__系数和系数。
6、一非对称循环变应力，其σmax=100N/mm2，σmin=-50N/mm2，计算其应力幅σa= N/mm2，平均应力σm=___N/mm2，循环特性r= 。
第十一章机械工程材料的选择及应用
92第十一章 机械工程材料的选择及应用掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，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，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。
当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。
这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。
所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。
一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标，时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标， 则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
§11.1 零件的失效形式与提高材料性能的途径一、零件的失效与失效分析零件在工作过程中最终都要发生失效。
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。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
机械制图第11章 零件图 - 新国标
第二节
零件的视图选择
零件的视图选择原则：
主视图的选择——
（1）主视图的投影方向——形体特征原则
（2）零件的安放位置——工作位置、加工位置、习惯位置等 其它视图的选择——在完整、清晰表达零件的内外结构形状和便 于读图的前提下，尽量减少视图的数量，各视图表达的重点要明确， 简明易懂。
一、轴套类零件
（三）技术要求
1、有配合要求的表面，其表面粗糙度参数值较小。无配合 要求表面的表面粗糙度参数值较大。 2、有配合要求的轴颈尺寸公差等级较高、公差较小。无配 合要求的轴颈尺寸公差等级较低，或不需标注。 3、有配合要求的轮颈和重要的端面应有形位公差的要求。
二、盘盖类零件
盘盖类零件可包括端盖、手轮、胶带轮、盘座等。 轮一般用来传递动力和扭矩，盘主要起支承、轴向定位以及 密封等作用。
3.掌握表面粗糙度、极限与配合的代号及标注；
4.了解几何公差的代号及标注；
5.零件图尺寸标注完整、清晰、符合国家标准。
第一节
零件图的作用与内容
组成机器或部件的最基本的构件，称为零件。根据零件在机 器或部件上的作用，一般可将零件分为三种类型：
1. 标准件：紧固件(螺栓、螺母、垫圈、螺钉……）、滚动轴 承、油杯等。
图
例
（一）表达方案 （二）尺寸标注 （三）技术要求
主视图投射方向
（一）表达方案
1、轮盘类零件主要是在车床上加工，所以应按形状特征和 加工位置选择主视图，轴线横放；对有些不以车床加工为主的零 件可按形状特征和工作位置确定。 2、盘类零件一般需要两个主要视图。 3、轮盘类零件的其它结构形状，如轮辐可用移出断面或放 大断面表示。 4、根据轮盘类零件的结构特点（空心的），各个视图具有 对称平面时，可作半剖视；无对称平面时，可作全剖视。
第十一章自由锻和模锻
第十一章自由锻和模锻第一节自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。
1.自由锻的优缺点2.自由锻的设备一、自由锻工序自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。
1．基本工序它是使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工艺过程。
如镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。
实际生产中常采用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。
2．辅助工序是指进行基本工序之前的预变形工序。
如压钳口、倒棱、压肩等． 3．整理工序它是在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。
二、自由锻工艺规程的制订制订自由锻的工艺规程包括绘制锻件图，确定变形工步，计算坯料的重量和尺寸，选定设备和工具，确定锻造温度范围和加热、冷却及热处理的方法和规范等。
1．绘制锻件图绘制锻件图应考虑以下几个因素．(1)(1)敷料如图1l—1(a)所示(2)加工余量(3)锻件公差锻件图的画法如图11—1(b)所示，2．坯料质量及尺寸计算坯料质量可按下式计算；G坯料=G锻件+G烧损+ G烧损式中 G坯料——坯料质量；G锻件——锻件质量；G烧损——加热时坯料表面氧化而烧损的质量．第一次加热取被加热金属的2～3％，以后各次加热取1.5～2.0％，G烧损——在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的质量．如冲孔时坯料中部的料芯．修切端部产生的料头等．当锻造大型锻件采用钢锭作坯料时，还要考虑切掉的钢锭头部和钢锭尾部的质量。
3．选择锻造工序选择自由锻造工序，主要是根据工序特点和锻件形状来确定，对一般锻件的大致分类及所采用的工序如表11-1所示。
三，自由锻锻件结构工艺性1．1．锻件上具有锥体或斜面的结构，从工艺角度衡量是不合理的如图11—2(a)。
因为锻造这种结构，必须制造专用工具，锻件成形也比较困难，使工艺过程复杂化，操作很不方便，影响设备的使用效率，所以要尽量避免。
应改进设汁，如图ll--2(b)。
机械制造基础教学课件庄佃霞崔朝英10、11习题答案
思考题及习题答案10-1材料的选用应满足零件的使用性能要求；材料的工艺性能应满足加工要求；选材时应充分考虑经济性能。
它们之间的关系是：首先要满足零件使用性能要求条件下，保证能够加工性能，最大限度地发挥材料的潜力，降低材料的成本。
10-2零件的尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去设计所要求的效能，称为失效。
失效形式有以下三种：断裂; 表面损伤和过量变形。
10-3零件选材的经济性应从材料本身的价格，加工费用，管理费用及其他费用几个方面考虑，使零件的总成本最低。
10-4热处理技术条件包括：零件的最终热处理方法，热处理后应达到的力学性能指标等。
但对于某些力学性能要求较高的重要零件，如曲轴、连杆、齿轮等还应标出强度、塑性等指标，有的还应提出对金相显微组织的要求。
对于渗碳件还应标注出渗碳、淬火、回火后的硬度、渗碳的部位、渗碳层深度等。
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。
热处理技术条件一般标注在零件图标题栏上方的技术要求中。
在标注硬度值时应允许有一个变动范围。
10-51）灰铸铁或球墨铸铁材料、铸铁毛坯；2）低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢、模锻毛坯；3）氮化钢、模锻毛坯；4）工程塑料、型材毛坯。
10-6 因为锻件毛坯有较高的抗拉、抗弯和抗扭强度，能满足轴类零件的工作环境和条件。
箱体类零件一般受力不大，但要求有良好的刚性和密封性。
通常都以铸件为毛坯，因其铸造性能好、价格低廉，并有良好耐压、耐麿和减震性能。
其工艺性能也很好，能很好地满足箱体零件的使用要求。
10-7因为汽车、拖拉机变速箱的工作比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与起动、制动和变速时受冲击频繁，对耐麿性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部强度和韧性等性能要求较高，用碳钢或中碳低合金钢经高频感应加热表面淬火已不能满足使用要求，选用合金渗碳钢，如20CrMnTi、 20CrMnMo、 20MnVB等钢，较适宜。
第11章机械零件毛坯的选择
• 零件结构形状和尺寸的要求
• 零件性能的要求。
（1）结构形状和尺寸的要求
机械零件由于使用功能的不同,其结构形状和尺寸往往差 异较大,各种毛坯制造方法对零件结构形状和尺寸的适应 能力也不相同。所以，选择毛坯时，应认真分析零件的结 构形状和尺寸特点，选择与之相适应的毛坯制造方法。 对于结构形状复杂的中小型零件,应选择铸件毛坯。可选 择砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造等； 对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。 对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； 对于那些结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的大型零件， 宜选择组合毛坯。
总材料利用率% 1.15/2.55=45.1
连杆盖
合计
0.94
3.49
0.65
2.35
0.48
1.63
0.48/0.65=73.8%
1.63/2.35=69.4%
0.48/0.94=51.1
1.63/3.49=47.0
• 由上表可知提高材料利用率，降低原材料消耗，对锻件生 产成本的降低其影响是很明显的。 • 材料利用率的提高，可以通过降低锻造过程中的下料损失、 废料损失、烧损和废品损失来获得。 • 材料利用率的提高，还可以通过减少锻造余块、加工余量 来获得，这样既可降低材料消耗，又可以减少大量的切削 加工费用。所以，精密锻造是降低锻件生产成本的主要途 径之一。
2）合理制订生产工艺
合理的冲压工艺能降低模具费，节约加工工时，降低材料 消耗等，使冲压件单件成本降低。 • 工艺的合理化即是将工序适当地集中，以减少模具数，提 高生产率，降低生产成本。 • 工序的集中与分散是一个比较复杂的问题，它取决于零件 的生产批量、结构形状、质量要求及工艺特点等。
机械工程材料
机械工程材料第一章金属材料的力学性能习题与思考题5 图示的为四种不同材料的应力-应变曲线（1-4），试比较这四种材料的抗拉强度。
屈服强度（或断裂强度）、刚度和塑性。
“材料的弹性模量E越大，则材料的塑形越差”，这种说法是否正确？为什么？12 下列各种工件应该采用何种硬度试验方法来测定其硬度？1）锉刀 2)黄铜轴套 3）供应状态的各种碳钢钢材 4）硬质合金刀片 5）耐磨工件的表面硬化层第二章金属与合金的晶体结构1 金属具有哪些特性？请用金属键结合的特点予以说明。
2 试计算面心立晶格的致密度。
9间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上区别何在？请举例说明。
10简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。
第三章金属与合金的结晶1如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：1）金属型铸造与砂型铸造2）高温浇注与低温浇注3）铸成薄壁件与铸成厚壁件4）浇注时采用振动与不采用振动5）厚大型铸件的表面部分与中心部分3 判断下列情况是否有相变1)液态金属结晶2）晶粒粗细的变化3）同素异构的转变4）磁性转变4为什么铸件的加工余量过大，会使加工后的铸件强度降低？第四章铁碳合金相图1分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。
3画出Fe-Fe3C相图中的钢部分的相图，并进行以下分析：1）标出相图中空白区域的组织成分和相组分。
2）分析w C=0.4%的亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织组分与相组分的相对量。
3）指出w C=0.2%、w C=0.6%、w C=1.2%的钢在1400℃、1100℃、800℃时奥氏体中碳的质量分数。
第五章钢的热处理4指出下列钢件正火的主要目的及正火后的组织：1）20钢齿轮 2）45钢小轴 3）T12钢锉刀5为什么亚共析钢经正火后，可获得比退火高的强度与硬度？6将w C=1.0%、w C=1.2%的碳钢同时加热到780℃进行淬火，问：1）淬火后各是什么组织？2）淬火马氏体的含碳量及硬度是否相同？为什么？3）那一种淬火后的耐磨性更好些？为什么？15T8钢的过冷奥氏体等温转曲线如图所示，若该钢在620℃进行等温转变，并经过不同时间保温后，按图示的1、2、3、4线的冷却速度至室温，问各获得什么组织？然后再进行中温回火，又各获得什么组织？20区别钢的淬硬性、淬透性与淬硬深度，并分别指出其影响因素。
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（二）手用丝锥选材举例
图11-7 T12A钢丝锥淬火时冷却曲线（示意图）Fra bibliotek、冷作模具的选材
图11-8 黄铜接线板落料凹模简图
图11-9 CrWMn钢凹模热处理工艺曲线
二、零件失效的形式
1.断裂失效 2.磨损失效 3.变形失效
三、零件的失效原因
引起失效的因素很多，涉及到零件的结构设计，材料选择与 使用，加工制造、装配、使用保养等。 但就零件失效形式而言，则与其工作条件有关。 零件工作条件包括：应力情况；载荷性质；温度；环境介质 以及摩擦、振动条件。
第二节 机械零件的材料选择
一、齿轮类零件的选材
（一）齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求
1.齿轮的工作条件 机床、汽车、拖拉机以及其他工业机械用齿轮尽管很多，但其工作 过程大致相同，只是受力程度有所不同。 2.齿轮的主要失效形式 （1）断齿 （2）麻点剥落 （3）磨损 3.对齿轮材料性能的要求 （1）具有高的接触疲劳抗力，使齿面在受到接触应力后不致发生麻 点剥落。 （2）应有高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度，使运 行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。
（二）零件选材的具体方法介绍
1.以综合力学性能为主进行选材 2.以疲劳强度为主进行选材 3.以磨损为主的选材 根据零件工作条件的不同，其选材也有所不同。
第三节 典型零件的选材实例分析
陶瓷材料一般不用于制造重要的受力零件，但可用于制 造在高温下工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件。由于其 制造工艺较复杂、成本高，一般机械工程中应用还不普遍。 复合材料虽综合了多种不同材料的优良性能，但目前复 合材料价格昂贵，在一般工业中应用受到限制。 金属材料具有极优良的综合力学性能和某些物理、化学 性能，因此被广泛地用于制造各种重要的机械零件和工程结 构。目前仍是机械工程中最主要的结构材料。从应用情况来 看，机械零件的用材主要是钢铁材料。
第一节 机械零件的失效概述 第二节 机械零件的材料选择 第三节 典型零件的选材实例分析
第一节 机械零件的失效概述
一、失效的概念
失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织 与性能发生变化而失去原设计的效能。
一般机械零件在以下三种情况下都认为已失效： 1.零件完全不能工作 2.零件虽能工作，但已不能完成指定的功能 3.零件有严重损伤而不能再继续安全使用
（二）齿轮选材的具体实例
1.机床齿轮选材 2.汽车、拖拉机齿轮选材
图11-5 解放牌汽车—速齿轮简图
二、机床主轴的选材
（一）机床主轴的工作条件及技术要求
1.承受摩擦与磨损 2.工作时承受多种载荷
（二）主轴选材的具体实例
图11-6 C616车床主轴
三、手用丝锥的选材
（一）手用丝锥的工作条件及失效形式
一、选材的一般原则
（一）选材的使用性能应满足使用要求
1.必须考虑材料和零件服役的实际情况。 2.充分考虑钢材的尺寸效应。 3.综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配置
（二）材料的工艺性应满足加工要求
1.铸造性 2.锻造性 3.焊接性 4.粘结固化性 5.可加工性 6.热处理工艺性 材料的价格和总成本应经济、低廉
二、选材的步骤及具体方法
（一）零件材料选择步骤
1.在分析零件的服役条件、形式尺寸与应力状态后，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的结果，找出零件在 实际使用中的主要和次要的失效抗力指标，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（高扩热处理的生产成本等）。 5.试验、投产。