机械零件的选材
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。
机械零件的失效与选材原则10969
弹性失稳， 疲劳破坏，
断裂
磨损 脆断
综合机械性能强度 、韧性、局部表面
耐磨性
心部强度、韧性表 面高强度
及疲劳极限 耐磨性
弹性极限， 屈强比， 疲劳极限
硬度，足够的 强度，韧性
8.3.2 工艺性能原则
材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
一、高分子材料零件选材的工艺性能原则
两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时 ，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲 劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损 。
六、腐蚀磨损
腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周 围介质发生化学或电化学反应，产生表层金 属的损失或迁移现象。
老师提示 采用耐磨性高的材料，进行合理的
表面强化处理，改变材料的组织结构 ，适度提高硬度。
●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或 冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料 内部缺陷导致失效。
五、运转维修因素
●不正确的运转工况参数(载荷、速度等 )导致零件失效。
●忽视维修，未进行定期大、中、小检 修
●润滑条件未保证, 润滑剂和润滑方法不 合适
老师提示 在影响失效的基本因素中，特 别要强调人的因素，即注意人的素质条件 的影响。
失效导致严重事故
失效因素
一、设计因素
为了保证产品质量，必须精心设计，精心施 工。
根据零件工作条件、可能发生的失效模式， 提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构 ，提出必要的技术文件。
如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用 或过早失效。
二、制造(工艺)因素
工艺缺陷是零件失效的重要因素。 ●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣； ●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹； ●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹； ●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合 适； ●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、 回火脆性； ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
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
11-零件的选材
一、根据使用性能选材原则
分析零件的工作条件，确定其使用性能： —① 受力情况 如载荷性质(静载、动载。交变载荷)、形 式(拉压、弯曲、扭转、剪切)、分布 (均匀分布、集中分 布)与大小，应力状态：
—② 工作环境 如温度(常温、高温、低温或变温)介质(有 无腐蚀介质、润滑剂)；
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(1)锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并 形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途 的齿轮大多采用锻钢制造。 主要包括；②中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、 载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。 其中Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要 齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45钢可用 作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工 作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下 使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于 40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面 淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。
—③ 其他要求 如导热性、密度与磁性等．在全面分析工 作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变 载荷下要 求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、 酸碱等腐蚀介 质中工作则要求耐蚀性等。
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一、使用性能选材原则
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二、工艺性能选材原则
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3．焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和 合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸 铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中 碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金 的焊接性能一般不好，应采用一些高级的 焊接方法(如氩弧焊)或特殊措施进行焊接。
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。
机械工程材料的选用
机械工程材料的选用机械制造与自动化专业一班姓名边嘉琦学号33021701004摘要：机械行业的发展为社会经济起着保障性的作用。
机械工程中材料的合理选用有着相当重要的作用。
文章从选材的意义、原则、步骤、方法等方面，结合实际，步步深入地进行了探讨。
希望能够对相关工作起到一定的借鉴意义。
关键词：机械设计、材料、性能、选材1选材的意义现代化的工业进程对机械设计行业提出了新的要求。
机械设计中,材料的选择是非常重要的。
合理选用机械工程材料对充分发挥工程材料本身的性能潜力，保证材料具有良好的加工工艺性能，获得理想的使用性能，提高产品零件的质量，节省工程材料，降低生产成本等方面起着重大影响。
实际工作中，往往由于选材不当，使机械零件的使用性能达不到规定的技术要求．从而导致机械零件在使用过程中发生早期损坏如产生变形、断裂或磨损等等，给生产生活造成了损失。
可见材料的选择是机械设计中的重点问题，材料选择合理与否直接影响到机械设计的质量和功能。
因此，必须加强机械设计中材料选择的工作力度。
下面就如何合理选用机械工程材料的问题谈谈我个人的看法，提出来与各位同仁商讨。
2选材的原则我们知道，选材的一般原则是：由工作条件确定使用性能的要求，这是材料选用的基本出发点。
其次是要考虑材料的加工工艺性。
第三是要考虑材料的经济性。
力争使各项花费的总和达到最低值。
最终做到：“材料的使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性应合理”[1]。
2.1选材的一般使用原则材料的使用原则在于用所选材料制造出的机械零件能否保证其使用性能。
材料的使用性能是指机械零件在正常工作情况下材料应具备的性能。
包括力学性能和物理、化学性能等。
零件的使用性能是保证其工作安全可靠、经久耐用的必要条件。
是选材时考虑的最主要的依据。
不同零件所要求材料的使用性能是不一样的，有的要求强度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的无严格的性能要求，只需保证一定形式的外表即可。
在大多数情况下应首先考虑零件的使用性能，对一般机械零件来说，则要考虑其力学性能[2]。
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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。