机械设计 机械零件的常用材料及结构工艺性
《机械设计基础》课程标准
《机械设计基础》课程标准一、课程性质与定位本课程是为研究机械类产品的设计、开发、制造、维护保养等提供必要的理论基础，它是机械制造与自动化专业必修的一门专业技术基础课。
该课程定位于高等职业教育，强调对学生进行专业思维能力.专业实践能力和动手能力的培养，按照“必需、够用”为度的原则呈现课程内容的针对性和应用性，注重提高学生分析问题、解决问题的能力，把创新素质的培养贯穿于教学中。
通过采用行之有效的教学方法，注重发展学生专业思维和专业应用能力，从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点，在教学中具有承上启下的作用，课程知识掌握的程度直接影响到后续课程的学习。
二、课程设计与理念1、以专业教学计划培养目标为依据，以岗位需求为基本出发点，以学生发展为本位，设计课程内容。
2、让学生在了解常用机构及机械零部件的基本知识及设计方法和设计理论的基础上，能进行简单机械及传动装置的设计，培养学生初步解决工程实际问题的能力。
3、在课程实施过程中，充分利用课程特征，加大学生工程体验和情感体验的教学设计，激发学生的主体意识和学习兴趣。
三、课程目标（一）知识目标1、掌握常用机构的工作原理、特点、应用及设计的基本知识。
2、掌握通用机械零件的工作原理、特点、结构、标准。
3、掌握及通用机械零件的选用和设计的基本方法。
（二）能力目标1、分析机构和选择传动方案的能力。
2、初步具有分析、选用和设计机械零部件及简单机械传动装置的能力。
3、具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。
（三）素质目标1、培养学生具有创新精神和实践能力。
2、培养严谨的科学态度和良好的职业道德。
3、在以实际操作为主的项目教学过程中，锻炼学生的团队合作能力；采用项目化教学，按项目的不同采用任务驱动、项目导向等教学模式，培养专业技术交流的表达能力；制定工作计划的方法能力；获取新知识、新技能的学习能力；解决实际问题的工作能力。
四、课程教学内容及学时分配五、教学方法与手段（一）教学方法《机械设计基础》是一门专业基础课，既有较强的理论性，如概念、公式多，又有较强的实践性，如计算题量大、试验繁琐、课程设计等。
机械设计常用材料及特性简介
结构钢是指符合特定强度和可成形性等级的钢。可成形性以抗拉试验中断后伸长率表示 。结构钢一般用于承载等用途，在这些用途中钢的强度是一个重要设计标准
模具钢大致可分为：冷轧模具钢、热轧模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切 型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模 具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬 性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也
SUS410为马氏体不锈钢，淬透性好它具有较高的硬度，韧性，较好的耐腐性， 热强性和冷变形性能，减震性也很好。要求高温或低温回火，但应避免在370560℃之间进行回火处理 SUS420钢材高韧性，高硬度空冷淬硬高铬工具钢，比SKD钢材的硬度及韧性 好，高镜面、高耐蚀。热处理尺寸变化小，SUS420宜线割加工。 高硬度和较好的耐磨性能，在打磨时，它的缺点是粘性比较大，而且升温很 快，但它比任何碳钢都更容易打磨，用手锯切料也容易得多。440C的退火温度 很低，硬度通常达到HRC56-58，耐蚀性和韧性都很强，现更广泛应用于手制刀 及优质厂制刀具
不同
弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢 的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定 的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能 （特别是弹性极限、强度极限、屈强比）、抗弹减性能（即抗弹性减退性能，又称抗松 弛性能）、疲劳性能、淬透性、物理化学性能（耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等）。 为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量（高的纯洁度和均匀性）、良好的 表面质量（严格控制表面缺陷和脱碳）、精确的外形和尺寸
机械零件设计概论
2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件， 而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热 性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在 机械制造中其应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。
各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
将零件的型式、规格、实验方法 、质量鉴定及标号等标准化，在 机械制造中具有重大意义。设计人员在设计时如无特殊要求，就应 当采用国家标准。
（二）机械零件设计中的标准化
零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检 验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种各样的大家共同遵守 的标准。 1、标准化的内容 标准化工作包括三方面的内容，即标准化、系列化和通用化，简称 为机械产品的“三化”。 1）、标准化 是指对机械零件种类、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、公 差配合和制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造时共同遵照 使用。 2）、系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制 成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。 3）、通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现 互换。
（三）、我国标准化的分类
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准
代号为 ISO
GB J号) －××××(为 批准年代) 强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。
推荐性国家标准：代号为GB／T ××××－××××，这类标准 占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这 些国标，以期取得事半功倍的效果。
1.退火 退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随 炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬 度以改善切削加工性能。
机械零件的常用材料特性及应用
料
用 材
動
滑
求
易耐 要
:
性易
熱度
導硬
處性
磨
/
充 分
/
加
工
性
/
理 性
考考考選熱
耐慮慮用
/
○
磨韌成 性性本 時時時
○
(S45C)
○
(SCM440/SK2)
○
(SKS3/SKD11/SKH61)
2.铝合金：防 锈铝、硬铝 、 超硬铝、锻铝、 型材等。
特点： 防锈铝(抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，
鍍Cr 高硬度,耐磨性,耐蝕性
鋼/
銅及合金
鍍Ni 耐蝕性,穩定性
鋼/
表面处理：
銅及合金
鍍Zn 防腐性,不脫落
銅
發藍 防蝕性
鋼
染黑 防蝕性
鋼
陽極處理 鋁
防蝕性,防氧化
2.选材原则——材料的经济性
从实际出发，全面考虑机械性能、 工艺性能、生产成本。
降低成本，就近取材； 考虑材料生产、供应情况； 选材少而集中，便于采购和管理
塑料 橡胶 合成纤维
一、金属材料
常用金 属材料
铸铁 ----含碳量>2% 钢 ----含碳量≤ 2%
铜合金
铁碳合金
1.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、 耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善S45C)，其次是硅、锰、硼、钒类合
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用：应用范围广泛。
二、非金属材料
1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。 常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
机械设计基础知识点总结
绪论：机械：机器与机构的总称。
机器：机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。
机构：是具有确定相对运动的构件的组合。
用来传递运动和力的有一个构件为机架的用构件能够相对运动的连接方式组成的构件系统统称为机构。
构件：机构中的（最小）运动单元一个或若干个零件刚性联接而成。
是运动的单元，它可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。
零件：制造的单元。
分为：1、通用零件，2、专用零件。
一：自由度：构件所具有的独立运动的数目称为构件的自由度。
运动副：使两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接。
高副：两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。
低副：两构件通过面接触而构成的运动副。
根据两构件间的相对运动形式，可分为转动副和移动副。
F = 3n- 2PL-PH机构的原动件（主动件）数目必须等于机构的自由度。
复合铰链：虚约束：重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。
计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。
局部自由度:与输出件运动无关的自由度，计算机构自由度时可删除。
二：连杆机构：由若干构件通过低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。
铰链四杆机构：具有转换运动功能而构件数目最少的平面连杆机构。
整转副：存在条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。
构成：整转副是由最短杆及其邻边构成。
类型判定：(1）如果：lmin+lmax≤其它两杆长度之和，曲柄为最短杆；曲柄摇杆机构：以最短杆的相邻构件为机架。
双曲柄机构：以最短杆为机架。
双摇杆机构：以最短杆的对边为机架。
(2)如果：lmin+lmax＞其它两杆长度之和；不满足曲柄存在的条件，则不论选哪个构件为机架，都为双摇杆机构。
急回运动：有不少的平面机构，当主动曲柄做等速转动时，做往复运动的从动件摇杆，在前进行程运行速度较慢，而回程运动速度要快，机构的这种性质就是所谓的机构的“急回运动”特性。
压力角：作用于C点的力P与C点绝对速度方向所夹的锐角α。
(完整版)机械设计基础知识点整理
1、机械零件常用材料：普通碳素结构钢（Q屈服强度）优质碳素结构钢（20平均碳的质量分数为万分之20）、合金结构钢（20Mn2锰的平均质量分数约为2%）、铸钢（ZG230-450屈服点不小于230，抗拉强度不小于450）、铸铁（HT200灰铸铁抗拉强度）2、常用的热处理方法：退火（随炉缓冷）、正火（在空气中冷却）、淬火（在水或油中迅速冷却）、回火（吧淬火后的零件再次加热到低于临界温度的一定温度，保温一段时间后在空气中冷却）、调质（淬火+高温回火的过程）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）3、机械零件的结构工艺性：便于零件毛坯的制造、便于零件的机械加工、便于零件的装卸和可靠定位4、机械零件常见的失效形式：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；连接松动；容器、管道等的泄露；运动精度达不到设计要求5、应力的分类：分为静应力和变应力。
最基本的变应力为稳定循环变应力，稳定循环变应力有非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力三种6、疲劳破坏及其特点：变应力作用下的破坏称为疲劳破坏。
特点：在某类变应力多次作用后突然断裂；断裂时变应力的最大应力远小于材料的屈服极限；即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形。
确定疲劳极限时，应考虑应力的大小、循环次数和循环特征7、接触疲劳破坏的特点：零件在接触应力的反复作用下，首先在表面或表层产生初始疲劳裂纹，然后再滚动接触过程中，由于润滑油被基金裂纹内而造成高压，使裂纹扩展，最后使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一个个小坑，即疲劳点蚀。
疲劳点蚀危害：减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，使其承载能力降低，并引起振动和噪声。
疲劳点蚀使齿轮。
滚动轴承等零件的主要失效形式8、引入虚约束的原因：为了改善构件的受力情况（多个行星轮）、增强机构的刚度（轴与轴承）、保证机械运转性能9、螺纹的种类：普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹10、自锁条件：λ≤ψ即螺旋升角小于等于当量摩擦角11、螺旋机构传动与连接：普通螺纹由于牙斜角β大，自锁性好，故常用于连接；矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹因β小，传动效率高，故常用于传动12、螺旋副的效率：η=有效功/输入功=tanλ/tan（λ+ψv）一般螺旋升角不宜大于40°。
机械设计基础
第一章 机械零件常用材料和结构工艺性Q235：Q ：“屈”，235：屈服点值50号钢：平均碳的质量分数为万分之50的钢第二章：机械零件工作能力计算的理论基础(必考或者二选一)+计算1， 在零件的强度计算中，为什么要提出内力和应力的概念因为要确定零件的强度条件内力：外力引起的零件内部相互作用力的改变量。
应力为截面上单位面积的内力。
2， 零件的受力和变形的基本形式有哪几种试各列出1~2个实例加以说明。
轴向拉伸和压缩；剪切和挤压；扭矩；弯曲△第四章 螺旋机构 P68四选一1、试比较普通螺纹与梯形螺纹有哪些主要区别为什么普通螺纹用于连接而梯形螺纹用于传动普通螺纹的牙型斜角β较大，β越大，越容易发生自锁，所以普通螺纹用于连接。
β越小，传动效率越高，固梯形螺纹用于传动。
2、在螺旋机构中，将转动转变为移动及把移动转变为转动有什么条件限制请用实例来说明螺母与螺杆的相对运动关系。
转动变移动升角要小，保证可以自锁；而升角大的情况下，移动可转为转动3、具有自锁性的机构与不能动的机构有何本质区别自锁行的机构自由度不为0，而不能动的机构自由度为04、若要提高螺旋的机械效率，有哪些途径可以考虑降低摩擦，一定范围内加大升角，降低牙型斜角；采用多线螺旋结构EAL F L N=∆第五章平面连杆1、为什么连杆机构又称为低副机构它有那些特点因为连杆机构是由若干构件通过低副连接而成的特点是能实现多种运动形式的转换2、铰链四连杆机构有哪几种重要形式它们之间只要区别在哪里1，曲柄摇杆机构2，双曲柄机构3，双摇杆机构区别：是否存在曲柄，曲柄的数目，以及最短杆的位置不同。
3、何谓“整转副”、“摆转副”铰链四杆机构中整转副存在的条件是什么整转副：如果组成转动副的两构件能作整周相对转动，则该转动副称为整转副摆转副：如果组成转动副的两构件不能作整周相对转动……条件：1，最长杆长度+最短杆长度≤其他两杆长度之和（杆长条件）2，组成整转副的两杆中必有一个杆为四杆中的最短杆。
机械零件的常用材料和结构工艺性(共40张PPT)
4、工程塑料
在工程中用来作结构或传动件材料的塑料，具有较高 的强度，质量轻，绝缘性、减摩耐磨/3
3、有色金属
1) 铜及铜合金 黄铜：Cu与Zn（≥15%）合金 青铜 锡青铜：Cu与Sn的合金 无锡青铜：Cu与Al、Si、Pb等的合金 铜的力学性能很低，在机械工业中的应用并不多。 2) 铝及铝合金 形变铝合金：防锈铝、锻铝等 铸造铝合金 （应用最广的轻金属）
2019/2/3
9
1）铜及铜合金
15 12 砂 模 金属模 砂 模 金属模 棒 材
用
途
中等强度零件及焊接件，如 螺栓、铆钉、接头、骨架等 高强度零件、大梁、框架等 中等强度、形状复杂的零件， 如支架、客体、发动机附件 等
222
1
铝及铝合金是应用最广的轻金属，纯铝有良好的塑性、耐 蚀性、导电性、导热性和焊接性。
2019/2/3 11
用
途
315~430 335~450 375~500
33 31 26
冲压件、焊接件及受载小的机械零件，如垫圈, 开口销、地脚螺栓等 焊接件、金属结构件及螺栓、螺母、铆钉、销 轴、连杆、支座等受载不大的机械零件
410~550 490~630
255 275
24 20
金属结构件及螺栓、螺母、垫圈、楔、转轴、 心轴、链轮、吊钩、连杆等受力较大的机械零 件
抗拉强度 σb /MPa 450 500
屈服点σs /MPa 230 270
伸长率δ /% 22 18
用
途
机座、机盖、箱体等。焊接性良好 飞轮、机架、蒸汽锤、联轴器、水压机 工作缸，焊接性尚好
570
640
310
340
15
10
联轴器、气缸、齿轮、重载荷机架
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270 18 飞轮、机架、蒸汽锤、联轴器、水压机 工作缸，焊接性尚好
310 15 联轴器、气缸、齿轮、重载荷机架等
ZG340-640 640 340 10 起重运输机中的齿轮、联轴器等重要机 件
表4-6 灰铸铁
牌号 铸铁壁厚/mm
HT150 10～20
HT200 HT250 HT300 HT350
835
540
1080 885
伸长率 δ%
用途
10
10
用于要求心部强度较高，承受磨损， 尺寸较大的渗碳零件
制造齿轮等渗碳零件
40Cr
980
785
40CrNiMoA 980
835
45Mn2 885
735
9 用于较重要的调质零件，如连杆、重 要齿轮、曲轴等
12 用于制造承受冲击载荷的高强度 零件
10 可代替40Cr钢制造齿轮、轴类零 件
195
Q215 335～450
215
Q235 375～500
235
Q255 410～550
255
Q275 490～630
275
33 冲压件、焊接件及受载小的机械零件， 如垫圈、开口销、铆钉、地脚螺栓等
31 焊接件、金属结构件及螺栓、螺母、铆 钉、销轴、连杆、支座等受载不大的机
26 械零件
24 金属结构件及螺栓、螺母、垫圈、楔、 键、转轴、心轴、链轮、吊钩、连杆等
5 250℃以下的耐热弹簧 10 大截面高强度弹簧
(5)铸钢
表4-5一般工程用铸造碳钢
牌号
力学性能
抗拉强 度σb
Mpa
Байду номын сангаас
屈服点 σs
Mpa
伸长率 δ%
用途
ZG200-400 400
ZG230-450 450
ZG270-500 500 ZG310-570 570
200 25
230 22
各种形状的机件，如机座、变速器箱壳 等
Q390 490～650 390 Q420 520～680 420
20
桥梁、船舶、中压容器、起重设备
19
大型桥梁、高压容器、大型船舶
Q460 550～720 460
17 中温高压容器、大型桥及船
(4)合金结构钢
表4-4合金结构钢
牌号
20Cr
20MnVB
力学性能
抗拉强 度σb
Mpa
屈服点σs Mpa
4.1 机械零件的常用材料及其选用
4.1.1机械零件的常用材料
机械零件所用机械工程材料的钢材基本情况介绍
1、钢
(1)普通质量非合金结构钢（普通碳素结构钢）
表4-1普通质量非合金结构（普通碳素结构钢）
牌号
力学性能（不小于）
抗拉强度σb 屈服点σs 伸长率δ
Mpa
Mpa %
用途
Q195 315～430
220
150 490 300
3
受冲击载荷的耐磨件，如齿轮、蜗轮、轴瓦、
衬套、丝杆螺母等
5 受重载的轴承、轴瓦等
10 重要的轴承、轴套、轮缘及大型铸件等
50 冷冲压件，如法兰盘、支架、散热器外壳等
H62（黄铜）
370 49 螺母、垫圈、铆钉、弹簧等
(8)铝及铝合金
表4-8 铝及铝合金
牌号
力学性能
用途
(7)铜合金
表4-7 铜合金
牌号
ZCuSn5Pb5Zn5 (5-5-5锡青铜)
力学性能
用途
抗拉强 度σb
Mpa
伸长率δ %
200 13
受载较大的零件，如轴套、轴承、螺母
等耐磨件
ZCuSn10P1 （10-1锡青铜）
ZCuPb20Sn5 (20-5锡青铜)
ZCuAl10Fe3 (10-3铝青铜)
H68（黄铜）
氰化零件，如套筒、短轴等
冷冲压件、联接件及渗碳零件， 如心轴、套筒、螺栓、螺母、吊 钩、摩擦片、离合器盘等
调质零件，如齿轮、套筒、连杆、 轴类零件及联接件等
表4-2续表
牌号
力学性能
用途
抗拉强度σb 屈服点σs 伸长率δ
Mpa
Mpa %
45
600
50
630
60
675
70
715
85
1130
355
16 调质零件，如齿轮、套筒、连杆、
（LC4，超硬铝）
ZL101 （铸铝硅合金）
222
1 中等强度形状复杂的零件，如支架、壳体、
发动机附件等
表4-9 工程塑料
(9)工程塑料
名称
力学性能
用途
抗拉强度 σb
Mpa
伸长 率δ
%
丙烯腈，丁二 烯、苯乙烯
（ABS）
61.7(高强 ---
度中冲击
型)
作一般结构或耐磨受力传动零件和耐磨蚀设备， 用ABS制成泡沫夹层板可做不轿车车身
20 受力较大的机构零件
(2) 优质非合金钢结构钢（优质碳素结构钢）
表4-2优质非合金钢结构钢（优质碳素结构钢）
牌号
力学性能（不小于）
抗拉强度σb Mpa
屈服点σs Mpa
伸长率δ %
用途
08 325
10
335
20
410
30
490
40
570
195 33
205
31
245
25
295
21
335
19
管子、垫片、要求不高的渗碳或
375
14 轴类零件及联接件等
400
12 弹簧、弹性垫圈、凸轮及易磨
9 损零件
420
6
980
(3)低合金高强度结构钢
表4-3低合金高强度结构钢
牌号
Q295
力学性能
抗拉强度σb 屈服点σs
Mpa
Mpa
390～570 295
伸长率δ
用途
%
23
桥梁、车辆、容器、焊管
Q345 470～630 345
21 桥梁、车辆、压力容器、船舶
10～20 10～20 10～20 10～20
(6)铸铁
抗拉强度 σb Mpa
145
195
240
290 340
用途
承受中等载荷的零件，如端盖、轴承座、阀 壳、管子附件、一般机床床身、滑座、工作 台等 承受较大载荷和要求有一定的气密性或耐蚀 性等较重要的零件，如汽缸、齿轮、机床、 飞轮、齿条、衬筒、液压筒、泵的壳体、阀 壳、油缸、气缸、联轴器、机体、齿轮、齿 轮箱外壳、飞轮、凸轮、轴承座等 承受高载荷、耐磨和高气密性重要零件，如 重型机床、剪床、齿轮、凸轮、车床卡盘、 压力机的床身、导板、增压液压筒、泵的壳 体等
表4-2续表
牌号
力学性能
用途
35CrMo
40CrMnMo
65Mn
抗拉强度 σb Mpa
980
980
980
屈服点σs Mpa
835
785 785
伸长率 δ%
12 制造大截面齿轮、轴类零件 10 制造高强度调质零件
8 截面小于20mm的冷卷弹簧
60Si2Mn 50CrVA
1275
1275
1175 1130
5A02（LF2， 防锈铝）
抗拉强 度σb Mpa
190
伸长率 δ%
23 中等强度的焊接件、冷冲压件、管道、容器、
铆钉等
2A50 （LD5，锻铝）
420
2A11
420
（LY11，硬铝）
13 形状复杂的冲压件、锻压件
15 中等强度零件及焊接件，如螺栓、铆钉、接 头、骨架等
7A04
600
12 高强度零件、大梁、框架等