09-09机械设计与选材
机械设计中的材料选取与优化
机械设计中的材料选取与优化机械设计中的材料选取与优化是机械设计中非常重要的一环。
在机械设计中，材料的选择往往决定了产品的寿命和性能。
因此，正确地选取材料，根据设计要求加以优化是非常必要的。
本文将从机械材料的基础知识、材料选取的规范、材料性能优化等几个方面进行详细介绍。
一、机械材料基础在机械设计中，材料种类常见的有金属材料、塑料材料、复合材料等。
1.金属材料金属材料是机械设计中常见的一种材料。
其中铁、铝、铜、钛等材料在机械制造中常用到。
铁在机器制造中，由于其强度高、加工性好、成本低等优势，所以在大多数领域都有应用。
铝在航空、汽车、船舶、电子等领域中广泛应用。
铜的导电性好，因此在电子元器件制造中使用较多。
钛则因为其轻质、高强度、抗腐蚀性等特点，被广泛应用于军工、航空航天等领域。
2.塑料材料塑料材料在机械制造中的应用也很广泛。
塑料材料种类繁多，不同的材料有不同的特点。
常见的塑料材料有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）等。
其中聚氯乙烯是一种廉价的塑料，广泛应用于建筑、输液管道、电缆等领域；聚丙烯由于其轻质、韧性好、加工性好等优点，常用于家电、汽车、塑料箱等领域。
3.复合材料复合材料是一种由两种或两种以上不同材料通过物理或化学方面的手段组合而成的新材料，常见的复合材料有碳纤维复合材料（CFRP）、玻璃纤维强化塑料（GFRP）等。
由于复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐热性好等特点，因此在航空、航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。
二、材料选取的规范材料选取是机械设计中的一个关键环节。
在进行材料选取时，需要考虑以下几个因素：1.设计要求设计要求是机械设计中的核心。
在进行材料选取时，首先要清楚具体的设计要求。
只有了解了具体的设计要求，才能选择出符合要求的材料。
2.强度强度是机械材料选取中最为重要的一个指标。
在机械制造过程中，常常需要用到高强度的材料。
所以，在进行材料选取时，要充分考虑到材料的强度指标。
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用机械设计是机械工程学科的核心领域之一，它涉及到机械元件的设计、制造与应用。
而在机械设计的过程中，材料的选择与应用是至关重要的因素之一。
本文将探讨机械设计中常用的工程材料以及它们的特点与应用。
一、金属材料金属材料是机械设计中最常用的材料之一。
常见的金属材料包括钢、铁、铝、铜等。
钢具有高强度、刚性和耐磨性的特点，广泛应用于制造机械零件和结构件。
铝材轻巧、导热性好，常用于制造轻型机械零件和外壳。
铜材具有良好的导电性和导热性，适用于电子元器件的制造。
在选择金属材料时，需要考虑其强度、耐腐蚀性、导电性等特性，以及成本和可加工性等因素。
二、合成材料合成材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料。
常见的合成材料有复合材料、聚合材料、陶瓷复合材料等。
复合材料由纤维和基质组成，具有高强度、高刚度和低密度的特点，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。
聚合材料如塑料、橡胶等具有良好的抗腐蚀性和绝缘性能，常用于制造密封件和电气元件。
陶瓷复合材料具有高温耐磨性和绝缘性能，适用于高温和腐蚀环境下的应用。
三、非金属材料非金属材料包括塑料、橡胶、玻璃等。
塑料具有良好的韧性和绝缘性能，广泛应用于电器、家具等领域。
橡胶具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造密封件和减震器等。
玻璃具有透明的特性，适用于制造光学元件和仪器。
四、选材原则在机械设计中，选材的原则是根据机械零件所处的工作环境和工作要求来选择合适的材料。
首先，要考虑材料的强度和刚度，以保证机械零件在工作负荷下不发生变形和破坏。
其次，要考虑材料的耐磨性和耐腐蚀性，以延长机械零件的使用寿命。
同时，还需考虑材料的导热性、导电性和绝缘性能，以满足特定工作要求。
最后，成本和可加工性也是选材的考虑因素之一。
五、材料应用案例1. 在汽车制造领域，使用高强度的钢材制造车身和车架，以提高碰撞安全性能。
2. 在飞机制造领域，使用复合材料制造机翼和机身，以提高飞机的轻量化和燃油效率。
机械设计基础机械系统的工程材料选择
机械设计基础机械系统的工程材料选择机械设计基础——机械系统的工程材料选择一、引言机械设计是一门综合性较强的学科，其中一个重要的方面就是工程材料的选择。
机械系统的工程材料选择对于产品的性能、寿命以及成本有着重要的影响。
本文将探讨机械系统中工程材料选择的一些基本原则和方法，以期为机械设计提供有效的参考。
二、工程材料选择的基本原则1. 适应性原则工程材料的选择首先要适应所设计的机械系统的工作环境和工作条件。
根据机械系统的工作温度、压力、摩擦磨损情况等因素，选择能够满足要求并且具有良好适应性的材料。
2. 强度和刚度原则机械系统的工程材料需要具备足够的强度和刚度，以承受工作过程中的静态和动态载荷。
在材料的选择上，要根据机械系统的设计载荷和受力情况，选择相应的材料来保证系统的强度和刚度需求。
3. 耐热性和耐腐蚀性原则对于工作环境温度较高或有腐蚀介质存在的机械系统，工程材料的选择要考虑耐热性和耐腐蚀性。
常见的耐热材料如高温合金，而耐腐蚀材料可以选择不锈钢、耐酸碱合金等。
4. 成本原则在工程材料的选择中，需要综合考虑其价格、加工成形难度以及材料寿命等因素。
选择成本合理且具有较长使用寿命的材料，以确保机械系统的可靠性和经济性。
三、常见工程材料的选择1. 金属材料金属材料广泛应用于机械系统中，其中铸铁、钢材和铝合金是常见的金属材料。
铸铁具有良好的耐磨性和强度，适用于制造摩擦副、传动部件等。
钢材具有较高的强度和刚度，适用于制造承载部件和受力部件。
铝合金具有良好的导热性和轻质特性，适用于制造结构轻量化要求较高的部件。
2. 非金属材料非金属材料在机械系统设计中也发挥着重要的作用。
塑料材料具有重量轻、绝缘性好、耐腐蚀等特点，适用于制造绝缘部件和密封件。
复合材料由两种或两种以上的不同材料组成，具有重量轻、强度高等优势，适用于制造高强度和轻质化要求的机械部件。
3. 高温材料在具有高温环境要求的机械系统中，工程材料的选择至关重要。
[机械制造行业]机械设计与选材
![[机械制造行业]机械设计与选材](https://img.taocdn.com/s3/m/b7adffe7f121dd36a32d82e4.png)
（机械制造行业）机械设计与选材第10章机械设计与选材本章学习要求1.了解机械零件的失效和失效的形式；2掌握选材的原则和分析方法；3.学会常用机械零件选材。
本章学习重点➢选材的原则；➢常用机械零件选材和工艺路线。
学习方法指导选材的动机：•首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；•现有产品的改进和更新换代；•零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。
第1节机械零件的失效分析●失效的概念当零件由于某种原因丧失预定的功能时，即它发生了失效。
①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作不安全；③虽能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。
●失效的形式●失效的原因●失效分析的方法基本环节示意图第2节选材的依据和基本原则①从材料使用性能的角度出发，选用的材料必须保证零件在使用过程中具有良好的工作能力；②根据材料工艺性能的要求，必须保证零件便于加工制造；③从经济性角度考虑，必须保证零件的总成本最低。
④环境与资源原则●使用性能与选材----首要原则使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。
➢分析零件的工作条件首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。
i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。
i i计算应力是确定材料使用性能的数量依据。
考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。
最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。
载荷）。
环境状况温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。
特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
➢进行失效分析失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。
➢零件性能要求的指标化将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。
●选材与材料工艺性能的关系材料的工艺性能主要包括冷加工性能如冷变形加工和切削加工性能，热加工性能如铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能等。
机械设计基础掌握机械设计中的材料选择原则
机械设计基础掌握机械设计中的材料选择原则【机械设计基础】掌握机械设计中的材料选择原则在进行机械设计时，材料的选择是至关重要的。
不同的材料具有不同的性能和特点，合理的材料选择能够提高机械产品的性能和寿命。
本文将介绍机械设计中的材料选择原则，帮助读者了解如何在设计中选择合适的材料。
一、机械设计中的材料选择要考虑的因素在进行材料选择时，需要考虑以下几个因素：1. 机械工作环境和工作条件：包括温度、湿度、压力、振动等因素。
不同的工作环境对材料的要求不同，需要选择适应特定工作条件的材料。
2. 机械产品的设计寿命要求：机械设计的寿命要求不同，可以选择不同寿命的材料。
一般来说，选择高强度和耐磨损的材料可以提高机械产品的寿命。
3. 机械产品的使用性能要求：使用性能包括机械产品的刚度、韧性、可加工性、耐磨性等。
不同的材料具有不同的性能，需要根据产品的使用要求进行选择。
4. 成本考虑：材料选择的成本也是一个重要的因素。
除了直接的材料成本外，还需要考虑加工成本、维护成本等。
在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料能够降低产品的制造成本。
5. 可用性和可替代性：材料的可用性和可替代性也需要考虑。
一些特殊的材料可能难以获取，或者价格较高，可以考虑替代材料。
二、常用的机械设计材料常用的机械设计材料包括金属材料、塑料材料和复合材料等。
下面将对这些材料进行简单介绍：1. 金属材料：金属材料具有高强度、刚性和导热性能，适用于承受较大力的部件。
常用的金属材料包括钢、铝、铜等。
钢具有良好的强度和韧性，适用于承受较大载荷的零部件；铝具有较低的密度和良好的加工性能，适用于重量要求较低的部件；铜具有优异的导热性和导电性能，适用于导电部件。
2. 塑料材料：塑料材料具有较低的密度、良好的绝缘性能和可塑性，适用于制造复杂形状的部件。
常用的塑料材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
不同的塑料材料具有不同的耐温性、耐化学性和机械性能，需要根据具体要求进行选择。
第11章 机械设计与选材
第10章 机械设计与选材
第1节 机械零件的失效分析
• 1.1 失效的概念
• 每种机器零件都有自己一定的功能，或完成规定的运动， 或传递力、力矩或能量。当零件由于某种原因丧失预定的 功能时，即它发生了失效。所谓失效是指：
①零件完全破坏，不能继续工作；
②严重损伤，继续工作不安全；
③虽能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。
• 5．快速断裂
• 受单调载荷的零件可发生韧性断裂或者脆性断裂。韧性断 裂是屈服变形的结果；脆性断裂时无明显塑性变形，常在 低应力下突然发生，它的情况比较复杂。在高温、低温下 能发生；在静载、冲击载荷时可发生；光滑、缺口构件也 可以发生。但最多的是有尖锐缺口或裂纹的构件，在低温 或受冲击载荷时发生的低应力断裂。
磨损，脆断
硬度、足够的强度、韧性
• 当以强度为主要依据选材时，应考虑构件所承受的载荷与 其重量之比。此时选材的准则为，当此比值最大时，构件 重量最轻。所以，在给定的外载条件下，当材料的密度接 近时，应选用屈服点高的材料。
• 表10-2列出了常用材料的屈服点，由表中数据可以看出， 目前作为高强结构较理想的材料还是钢铁。强度对材料的 组织很敏感。因此，在选材时既要按强度要求选用合适的 材料，又必须确定材料的热处理工艺。
零件失效
图10-2 导致零件失效的主要原因示意图
机械设计基础工程材料选择与应用
机械设计基础工程材料选择与应用在机械设计中，工程材料的选择是至关重要的。
合适的材料可以保证机械零件的性能、可靠性和寿命。
本文将探讨机械设计基础工程材料选择与应用的原则和方法。
一、材料选择的原则在选择合适的工程材料时，需要考虑以下几个原则：1. 功能需求：首先要明确机械零件的功能需求，例如承载、传动、密封等。
根据不同的功能需求，选择适合的材料来满足要求。
2. 物理性能：材料的物理性能直接影响着机械零件的性能和寿命。
例如强度、刚度、热膨胀系数等指标需要根据实际情况进行综合考虑。
3. 耐久性：机械零件在长期使用过程中需要具备较好的耐久性，即抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等能力。
因此，材料的耐久性也是选择的重要考虑因素之一。
4. 可加工性：工程材料的可加工性对于机械设计和加工制造来说也非常重要。
材料的可塑性、可焊性、可切削性等指标需要与加工工艺相匹配，以保证零件的加工质量和成本。
5. 经济性：最后，经济性也是材料选择的一个重要考虑因素。
需要综合考虑材料成本、加工成本以及维护成本等，以确保在满足功能需求的前提下实现经济合理的选择。
二、常见工程材料及其应用1. 金属材料金属材料在机械设计中应用广泛，常见的金属材料包括钢、铝、铜、镍等。
不同的金属材料具有不同的物理性能和耐久性，可以根据具体需求选择。
例如，高强度合金钢常用于承载较大载荷的零件，而铝合金则常用于需要轻量化设计的零件。
2. 非金属材料非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷等。
它们具有比金属更轻、耐腐蚀和绝缘的特点，在一些特殊的应用场景中有着重要的作用。
例如，聚合物塑料常用于绝缘件和密封件，橡胶常用于减震和密封件，陶瓷常用于耐高温和耐磨损的零件。
3. 复合材料复合材料是由两种或更多种材料组成的材料，具有综合性能优异的特点。
例如，碳纤维增强复合材料具有轻质、高强度和抗腐蚀的特点，广泛应用于航空航天和运动器材领域。
三、材料选择案例分析以设计一个汽车刹车盘的材料选择为例，假设要求刹车盘具有较高的耐磨损性、耐高温性和强度。
机械设计与选材
3) 热处理工艺分析
退火：消除锻造应力，降低硬度，改善加工性。 工艺：900～920℃×3h， 退火硬度：< HB 230 调质：整体获得高的综合力学性能，为表面氮化处理作准备。 工艺：900～930℃＋油冷＋630～670℃×4h 回火 去应力退火：消除在机械加工过程中产生的内应力和回火过程中未完全 消除的残余应力，以保证组织和外形尺寸稳定。
第四节
选材的典型实例分析
一、轴类零件的选材：
应考虑：负荷形式；载荷大小；精度要求。 受力状况：同时承受弯曲、扭转交变负荷。 失效形式：疲劳断裂或磨损。 性能要求： （1）良好的综合力学性能（强度、韧性）——疲劳强度高；
（2）硬度较高（耐磨性好）；
（3）热强性好。
二、磨床主轴实例分析
1、工作条件及性能要求 工作条件：承受： 1）交变扭转、弯曲载荷 2）一定的冲击载荷 3）摩擦。
第10章 典型机械零件选材及工艺路线 零件的失效
选材原则
选材的典型实例分析
第一节
一、失效的概念
失效：失效是指：
零件的失效
① 零件完全破坏，不能继续工作； ② 严重损伤，不能安全工作；
③ 虽能安全工作，但不能起到预定的作用。
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。
二、失效的原因
1、 设计不当 ① 设计依据不合理； ② 计算错误 （如受力分析不精确）；
③ 结构设计不合理 （如忽视应力集中）。
2、 选材不当 ① 不能适应工况要求； ② 材料本身有缺陷。 3、 加工不当： ① 机械加工引入缺陷； ② 淬火不当（如过热、脱碳、淬火裂纹）；
③ 回火不足（较大的残余内应力等）。
4. 安装与使用不当： ① 零件配合过紧、过松、对中不良； ② 过载或维护不良(润滑、散热不当) 。
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传动轴
传动 齿轮
弹簧
冷作 模具
弯/扭应力
压/弯应力 扭/弯应力 (拉/压) 复杂应力
交 变/ 冲击
交 变/ 冲击
交 变/ 冲击
交变/ 冲击
摩擦 振动
疲劳断裂/过量变形 /轴颈磨损
综合力学性能
摩擦 齿部折断/磨损疲劳 表硬里韧 / 振动 断裂/接触疲劳破坏 疲劳强度
振动
弹性失稳 疲劳破坏
高屈强比/ 疲劳强度
11
四. 选材的程序
工 作
载荷条件及 周围介质特性
条几何Biblioteka 状件及结构要求分 析
使用要求 (可靠/耐用等)
材料工艺性
材
料
材料主要
技术
的
抗力指标
条件 制定
预
选
材料经济性
择
实验室试验
材
结构尺寸合理性
评估
料
预选
台架试验
最
在应力状态下变
终
形和抗断裂能力
选
材料 的能
工艺性能试验
择
材料耐用性
力
12
§9.3 选材的典型实例分析
➢零件的失效 ➢选材的原则 ➢选材的典型实例分析
1
§9.0 机械设计与选材的关系
一.机械产品的设计过程
机构设计
材料设计
提出 设计 任务
技术 功能 设计
总体 结构 设计
零件 形状 尺寸 设计
选 材
工艺 过程 设计
设 计 总 图
服役条 失效形式估计，确定 件分析 失效抗力和性能指标
2
二.设计与制造工艺的关系
② 计算错误(少见)； ③ 结构外形设计不合理：应力集中、尖角、缺口、小圆角。
2. 材料方面
① 选材不当：不满足性能要求 (种类、牌号不当) ② 材料的质量问题：杂质、夹杂物、夹层、裂纹等
5
3. 加工方面
加工造成各种缺陷，如铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、 带状组织或过热、过烧现象； 机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕； 热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导 致较大的残余内应力等。
1) 塑性变形失稳后断裂 2) 低应力脆性断裂 3) 疲劳断裂失效 4) 应力腐蚀开裂
3．表面损伤 1) 磨损失效
2) 表面疲劳失效 3) 腐蚀失效
7
几种常用零件的工作条件和失效形式
零件
工作条件
应力
载荷 状态
失效形式
对材料力学 性能的要求
螺 栓 拉/剪应力 静 载 ----- 过量变形/断裂
强度 / 塑性
一.工程材料的使用情况
性能特征
使用情况
金属 优良的综合力学性能和某些 材料 物理、化学性能。
最多、最广泛
高 分子 材料
密度小，摩擦系数小，减震 性、耐蚀性、电绝缘性及弹 性较好； 但强度、刚度低， 尺寸稳定性差，易老化。
不宜做受力大的结构件； 可做轻载传动齿轮、轴承、 紧固件、壳体和密封圈等。
陶瓷 材料
失效分析：探讨零件失效形式和原因，提出相应改进措施。
根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和 使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带 来相应的经济效益和社会效益。
4
二、零件失效的原因
1. 设计方面
① 工作条件估计错误：对过载估计不足，散热、润滑、 环境腐蚀了解不足等，设计依据不合理；
4. 安装与使用方面
1. 配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等会造成 零件的早期失效，在使用时的非法过载或维护不良 (润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期失效。
5. 意外事故
1. 人为或非人为因素造成零件出现过载。
6
三、零件失效形式
1．变形失效 1) 过量弹性变形失效
2) 过量塑性变形失效
2．断裂失效
用GCr15制造量规的加工工艺路线 锻造→球化退火→机加工→粗磨→淬火→低温回火→精磨→时效
改善和稳定 量规内部组织
保证量规 外形尺寸
3
§9.1 零件的失效
一、失效的概念
失效：是指发生下述三种情况中的任何一种：
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。 一般失效大多是零件的早期失效，即未达到预期的效 果或寿命，提前出现失效的过程。
变形开裂倾向和淬透性、回火脆性和回火性能。
以上即为满足工艺性能要求。
10
三、选材的经济性
1.材料原始成本 2.零件加工成本 3.零件的比成本
比成本＝(材料成本＋加工成本)/寿命 汽车寿命一般为十年，现有几种车用齿轮，其寿 命及价格如下，试问选哪种齿轮比较合理？
A： 寿命3年，300元/个 B： 寿命4年，400元/个 C： 寿命5年，600元/个
强烈 摩擦
磨损 / 脆断
高硬度/足够强 度、韧性
8
§9.2 选材原则
一、满足使用性能要求
1. 能承受相应要求的应力和载荷 应力状态(拉、压、弯、 扭、剪、)和载荷性质(静载、冲击、交变)
2. 适应工作环境 工作温度(低温、室温、高温、交变温 度)、环境介质(酸、碱、盐、海水、油、电、磁)
3. 保证零件经久耐用 零件要有一定的寿命。 所有的材料都不是万能的，扬其利，避其弊。从失效
分析入手，失效的方式决定对材料要求的主要性能。例如 齿轮失效有折断、接触疲劳点蚀、过度磨损，要用有高硬度、 好韧性的材料制造；手术刀要锋利、不断、不绣等等。
9
二、选材要满足生产工艺要求
1.铸 造：材料的高温流动性、收缩率、偏析、吸气性等。 2.焊 接：焊缝强度和热影响区开裂倾向(包括冷/热裂)。 3.冷压成形：屈服强度、塑性、加工硬化性等。 4.热锻成形：热塑性、流变应力、加热抗氧化性等。 5.切削加工：硬度、表面质量。 6.热 处 理：加热时氧化脱碳倾向和过热敏感性，淬火时
受力情况
传动轴：交变扭转或冲击载荷； 机床主轴：载荷较小； 发动机曲轴：弯曲、扭转交变载荷； 船推进器主轴：弯、扭、拉、压的交变载荷。
① 优良的综合机械性能； 性能要求 ② 耐磨性好，疲劳强度高；
③ 其它：热强性、耐蚀性等。
失效形式 过度磨损和疲劳断裂。
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举例1：机床主轴
工作特点 受力不大(有一定的冲击载荷),要求较高刚度,轴颈处 精度配合和耐磨性要求高。 选 材 调质钢:45钢(普床)等；氮化钢:38CrMoAlA(精度机床)等。 工艺路线 下料→锻造→退火→粗加工→调质→精车→去应力处 理→喷砂→粗磨→氮化→精磨
化硬但学性塑稳、性定耐及性蚀韧高性性、 好 极高；低硬，度易和脆热断。在可某不航做些大空高耐)。航温磨天零件及件和国、耐防切蚀上削件常工(受用具力。、
复合 材料
综合了不同材料的性能：比 强度、比模量高，抗疲劳、 减震、减磨和耐磨等。
因价格昂贵，在机械制造 业中应用有限。
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二.轴类零件
① 是机床、汽车等制造工业的重要零件，用量很大； ② 主要作用是支撑传动零件并传递运动和动力； ③ 选材应根据工作环境(工作温度、润滑条件、腐蚀介质、刚 度、安全性等)和特定性能要求进行具体分析。