第十章 机械零件选材
机械零件选材原则及工艺设计课件(PPT 99页)
4 弹簧的选材 一、弹簧钢 根据生产特点的不同，分为两大类： （1）热轧弹簧用材 通过热轧方法加工成园钢、方钢、
当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗 拉强度相差很小，但屈强比差别较大。65钢为0.7， 60Si2Mn钢为0.75、50CrVA钢为0.9。屈强比高，弹簧可承 受更高的应力。
(2) 高的疲劳强度 弯曲疲劳强度σ-1和扭转疲劳强度τ-1
越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。
(3) 好的材质和表面质量 夹杂物含量少，晶粒细小，表 面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断 裂十分重要。
(2) 疲劳断裂 在交变应力作用下，弹簧表面缺陷(裂纹、折迭、刻 痕、夹杂物)处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。
(3) 快速脆性断裂 某些弹簧存在材料缺陷(如粗大夹杂物，过多脆 性相)、加工缺陷(如折迭、划痕)、热处理缺陷(淬火温度过高导致晶 粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够)等，当受到过大的冲击载荷 时，发生突然脆性断裂。
交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力； 应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。
（2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严 重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、 扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。
（3）曲轴材料
锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、 35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等；
C620车床主轴简图
主轴用45钢制造。
☆ 做一做：制定工艺路线 载荷较大的主轴用40Cr钢制造。 承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）
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。
简述机械零件选材的基本步骤
简述机械零件选材的基本步骤
一、引言
机械零件是机械装置的组成部分，其选材质量直接影响着机械装置的
性能和寿命。
因此，正确的选材方法是保证机械零件质量的重要步骤。
二、确定零件功能和工作条件
首先需要明确机械零件的功能和工作条件。
例如，传动轴需要承受扭
矩和转速等要求，托架需要具有足够的刚度和强度等要求。
只有明确
了这些要求，才能选择合适的材料。
三、选择合适的材料
1. 金属材料
金属材料是最常用的机械零件材料之一。
根据不同的应用场景，可以
选择不同种类的金属材料。
例如，碳钢具有较高强度和硬度，适用于
制造高强度要求的零件；不锈钢具有耐腐蚀性能好、美观等优点，适
用于制造外表美观且不易生锈的零件。
2. 非金属材料
非金属材料也是常见的机械零件材料之一。
例如塑料、陶瓷等。
选择
非金属材料时需要考虑其耐磨性、耐腐蚀性、温度稳定性等因素。
四、考虑加工工艺
不同的材料需要不同的加工工艺，因此在选材时需要考虑加工难度和
成本。
例如，铸造零件可以采用铸造方法制造，而对于精密零件则需
要采用数控加工等高精度加工方法。
五、考虑经济性
在选材时还需要考虑经济性。
即在满足机械零件功能和寿命要求的前
提下，选择价格合适的材料。
这样可以降低生产成本，提高生产效率。
六、结论
综上所述，机械零件选材是一个综合性的过程，需要从多个方面进行
综合考虑。
只有选择合适的材料才能保证机械装置的正常运行和长期
使用。
【材料课件】第十章工艺路线-精选文档
3. 材料的经济性
在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降 低零件的总成本。（零件的总成本包括材料本身的价格 和与生产有关的其它一切费用）。 在金属材料中，碳钢和铸铸铁的价格是比较低廉的，因 此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢的铸铁（尤其 是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可 降低成本。
机械零件的选材及热处理 工艺
引言
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。
机械零件的选材及热处理工艺
一、选材的一般原则
二、热处理技术条件的标注 三、热处理与切削加工性的关系
四、典型零件选材及热处理工艺分析
一、选材的一般原则
1．材料的机械性能： 2. 材料的工艺性能： 3. 材料的经济性
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。 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。
C620车床主轴简图
轴的失效方式
转轴弯曲疲劳断口形貌 轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损
机械零件的选材及热处理工艺
性能要求： ① 高的疲劳强度，防止疲劳断裂； ② 优良的综合机械性能，即较高的屈服强度的抗拉强度， 较高的韧性，防止塑性变形及过载或冲击载荷下的扭 转和折断； ③ 局部承受磨擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损； ④ 在特殊条件下工作的转的材料应具有特殊性能，如蠕 变抗力，耐腐蚀性等。
[机械制造行业]机械设计与选材
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（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。
第十章典型机械零件的选材
10.3箱体类零件的选材及工艺
机床床身,床头箱,变速箱,进给箱,溜 板箱,内燃机缸体等. 10.3.1箱体类零件的工作条件,失效形式和性能要求 (1)具有足够的强度和刚度. (2)对精度要求高的机器的箱体,要求有较好的 减震性. (3)对于有相对运动的表面要求有足够的硬度和 耐磨性. (4)具有良好的工艺性,如铸造性能或焊接性能.
10.1.2 齿轮材料选择
主要依据:齿轮的传动方式,载荷性质的大 小,传动速度,精度要求,淬透性及齿面硬化要 求等. 1.轻载,低,中速,冲击力小,精度要求低. 选用中碳钢制造,调质硬度一般为200~280HBW. 2.中载,中速,受一定冲击载荷,运动较平稳. 选用中碳钢或合金调质钢,最终热处理+高频或中频 淬火+低温回火,硬度可达50~55HRC. 3.重载,中,高速,且受较大冲击载荷. 选用合金渗碳钢,渗碳淬火+低温回火后,硬度 58~63HRC.
第十章典型机械零件的选材
10.1齿轮类零件的选材
10.1.1齿轮的工作条件与性能要求
1.工作条件: 1)齿根承受很大的交变弯曲应力; 2)齿部承受一定的冲击载荷; 3)齿面相互滚动,承受很大的接触应力,并发生强烈摩擦. 2.失效形式: 1)断齿;2)齿面接触疲劳损坏;3)齿面磨损;4)齿面塑 性变形; 3.性能要求: 1)高的接触疲劳强度,高的表面硬度,足够的抗弯强度等.
10.2.3典型轴类零件的选材及加工工艺路线 1.机床主轴:CA6140车床 材料:45钢 热处理技术路线:整体调质, 硬度220~250HBW;C面及Φ90mm×80mm段外圆 表面淬火,硬度52HRC,锥度硬度48HRC. 加工工艺路线:锻造→正火→粗加工→调质→半精 加工→表面淬火+低温回火→磨削加工. 正火:改善组织,调整硬度以利加工; 调质:得到综合力学性能; 表面淬火+低温回火:提硬度,增加耐磨性.
机械零件选材及加工路线课件 (一)
机械零件选材及加工路线课件 (一)机械零件是机械制造中不可或缺的组成部分，选材与加工路线在机械零件的制造过程中也至关重要。
本文将就机械零件选材与加工路线这一主题进行探讨。
一、机械零件的选材机械零件在选材时需要考虑的因素较多，例如：1.力学性能：机械零件需要承受各种力、扭矩等，因此要选用具有良好的抗拉、抗压、抗弯、抗疲劳等力学性能的材料。
2.物理性能：机械零件在使用过程中需要承受各种温度、湿度等因素的影响，因此需要选择具有良好的耐热、耐腐蚀、抗磨损等物理性能的材料。
3.加工性：机械零件要通过加工过程进行制造，因此也需要考虑材料的加工性能，包括铸造性、挤压性、锻造性、切削性等。
4.成本：选材时还需考虑成本问题，综合考虑材料的价格、加工难度等因素，选择性价比较高的材料。
二、机械零件的加工路线机械零件的加工路线分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。
1.粗加工：包括铸造、锻造、冲压、热处理等工艺，主要是将材料加工成初步形状，以便进行下一步的加工。
2.半精加工：包括车、铣、钻、刨、磨等加工工艺，主要是对粗加工后的材料进行进一步的加工，以便得到精度较高的零部件。
3.精加工：包括精密车削、高精度磨削、电火花加工、线切割等工艺，主要是将半精加工后的零部件进行精细加工，以满足特殊的使用要求。
总之，在选择机械零件的加工路线时，需考虑零件的精度、质量要求和生产效率等因素，选择适合的加工工艺和加工设备。
三、结语机械零件选材及加工路线是机械制造中至关重要的组成部分，选材与加工路线直接影响到零件的质量、性能和生产成本。
因此，需要综合考虑材料的各项性能，选择合适的加工路线和工艺，确保精度和质量，提高生产效率，使得机械零件能够更好地满足使用要求。
机械零件的选材及毛坯的选择
广泛应用于各种机械零件 常见于电器和导热零件 常用于航空和汽车制造
毛坯的定义和作用
毛坯是指通过初加工获得的粗糙形状零件，用于进一步加工和成型。
1 降低加工难度
毛坯提供了初始形状和尺 寸，可减少加工工序和时 间。 可以最大程度地减少材料 浪费。
使用统一的毛坯可以确保 批量生产的产品尺寸和性 能一致。
机械零件的选材及毛坯的 选择
通过优化机械零件的选材和毛坯的选择，可以提高产品质量和性能，同时降 低成本和制造周期。
选材的重要性和影响
1 质量和性能影响
合适的材料选择可以提供足够的强度、硬度和耐腐蚀性，以满足设计要求。
2 成本和效率因素
选材决策需要考虑材料的可获得性、成本和加工复杂性，以确保经济实用。
3 环境和可持续性
选择环保型材料可以降低对环境的负面影响，并符合可持续发展的要求。
不同机械零件的选材考虑因素
静态零件
• 强度和刚度 • 耐磨性和耐腐蚀性
动态零件
• 疲劳寿命 • 摩擦和润滑性
密封零件
• 耐腐蚀性和渗漏性 • 温度和压力要求
常见的机械零件材料选择
钢材 铜合金 铝合金
良好的强度和刚度 良好的导热性和导电性 低密度和良好的耐腐蚀性
为汽车制动系统设计一个刹车盘。选取
铸铁材料作为材料，并使用铸造毛坯制
备。
3
案例三
为通用机械设计一个钢质滑轨。选取普 通碳钢材料并使用锻压毛坯制备。
结论和总结
机械零件的选材和毛坯的选择对产品质量和成本具有重要影响。合理的选材 决策和毛坯选择可以提高产品性能和生产效率。
不同类型的毛坯选择要点
锻造毛坯
• 适用于高强度要求 • 形状复杂需要挤压的零件
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第十章机械零件选材
第一节机械零件的失效分析
一、失效的概念
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。
二、零件工作条件、失效形式及要求的力学性能
韧性与热硬性
第二节选材的基本原则
一、材料的最终性能应满足零件的技术要求
1、通常以бb(б0.2)作为零件的设计指标。
бb(б0.2)愈高，机器愈轻，寿命愈长；
2、塑性指标（δ、ψ）不能直接用于设计计算，它的主要作用是增加零件抗过载能力（如应力集中），提高零件的安全性；
3、硬度（HRC、HBS）作为加工工艺的最终检验指标。
二、材料的工艺性能良好：
1、铸造性能的比较
2、锻造性能比较
1）低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差；
2）低合金钢可锻性近于中碳钢，高合金钢的较差；
3）铝合金：因锻造温度范围窄，可锻性并不很好；
4）铜合金的可锻性一般较好。
3、焊接性能
1）铜合金和铝合金的焊接性能较差；
2）灰口铸铁基本上不能焊；
3）低碳钢和碳含量低于0．18％的合金钢有较好的焊接性能，碳含量大于0．45％的碳钢和碳含量大于0．35％的合金钢的焊接性能较差。
碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。
4、切削加工性能
三、充分考虑经济性
常用金属材料的相对价格
材料相对价格材料相对价格
碳素结构钢
低合金高强度结构钢优质碳素结构钢
易切钢
合金结构钢（铬镍除外）1
1.25
1.3～1.5
1.7
1.7-
2.5
铬不锈钢
铬镍不锈钢
普通黄铜
锡青铜、铝青铜
灰铸铁件
５
１５
13-17
19
-1.8
常用热处理的相对加工费用
第三节典型零件材料的选择。