零件材料及选用
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。
机械零件的材料与选用
机械零件的材料与选用1. 基础材料分类机械零件的材料一般分为金属材料、非金属材料和复合材料三类。
1.1 金属材料金属材料是最常用的机械零件材料，主要包括铁、铝、镁、钛、铜、锌等。
金属材料优点是高强度、高刚度、高耐热、高导电性和良好的可塑性。
但是，金属材料的缺点是容易氧化、腐蚀、疲劳、塑性变形和变形回弹。
1.2 非金属材料非金属材料主要包括塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。
非金属材料的优点是防水、防腐、绝缘性好、重量轻和制造成本低廉。
但是，非金属材料的缺点是刚度和耐热性较差，抗腐蚀能力低。
1.3 复合材料复合材料是由两种或两种以上的材料组成的复合材料，例如纤维增强复合材料（FRC）。
复合材料的优点是强度高、密度低、刚度好、耐热、耐腐蚀，但制造难度较高，成本也较高。
2. 材料选用规则不同的机械零件需要选择不同的材料，一般有以下几个规则：2.1 力学性能机械零件在工作时需要承受一定的载荷和力量，因此所选的材料必须具备优良的强度、韧性、硬度等力学性能。
同样重要的是考虑材料在长期使用过程中的稳定性和疲劳寿命等因素。
2.2 热稳定性机械零件在工作时可能会面临高温或低温的环境，因此所选材料必须具有足够的热稳定性。
例如，使用高温合金材料能够更好地抵御高温环境对材料的影响。
2.3 耐蚀性机械零件在工作中可能会受到环境中的化学物质腐蚀，因此所选材料必须具有足够的耐蚀性。
例如，选择不锈钢材料可以更好地抵御环境中的腐蚀。
2.4 制造成本材料的制造成本也是一项重要的考虑因素，因为制造成本越高，产品价格也就越高。
因此，在选择材料时，需要综合考虑其力学性能、热稳定性、耐蚀性和制造成本等因素。
3.在机械零件的材料选用中，需要综合考虑机械零件的使用环境和使用要求，选择强度、韧性、硬度等力学性能良好的材料，并且具有足够的热稳定性和耐蚀性，同时也要充分考虑其制造成本和可用性等方面的问题。
常用的20种零件材料及其特性和应用场景
以下是常用的20种零件材料以及它们的特性和常用场景：1. 钢材：强度高、耐磨、耐腐蚀，常用于制造机械零件、汽车零部件等。
2. 铝合金：轻质、良好的导热性和强度，常用于航空航天、汽车制造等领域。
3. 铜材：良好的导电性和导热性，常用于电子器件、电线电缆等。
4. 铸铁：高强度、耐磨、耐压，常用于制作发动机零件、工业设备等。
5. 不锈钢：耐腐蚀性好，抗磨损，常用于食品加工设备、化学设备等。
6. 聚合物（塑料）：轻质、绝缘性能好，常用于电子设备外壳、塑料制品等。
7. 碳纤维：高强度、低密度，常用于航空航天、运动器材等。
8. 聚酰亚胺：耐高温、绝缘性能好，常用于航空航天、电子器件等。
9. 聚四氟乙烯（PTFE）：耐腐蚀、低摩擦系数，常用于密封件、管道衬里等。
10. 玻璃：透明、耐腐蚀，常用于光学元件、实验室器皿等。
11. 陶瓷：高硬度、耐高温，常用于发动机部件、陶瓷刀具等。
12. 橡胶：弹性好、耐磨损，常用于密封件、橡胶制品等。
13. 硅胶：柔软、绝缘性能好，常用于电子组件保护、密封件等。
14. 锌合金：低熔点、良好的流动性，常用于压铸件、五金配件等。
15. 青铜：耐磨、导热性好，常用于轴承、齿轮等。
16. 铝青铜：耐腐蚀、耐磨性好，常用于海水设备、船舶零部件等。
17. 硬质合金：硬度高、耐磨性好，常用于切削工具、钻头等。
18. 超硬材料（如金刚石）：极高硬度、耐磨性强，常用于磨料、切削工具等。
19. 纤维复合材料：高强度、轻质，常用于航空航天、汽车制造等。
20. 合成纤维（如尼龙）：强度高、耐磨性好，常用于绳索、纺织品等。
这些材料在不同的工程和制造领域中具有广泛的应用，根据具体的需求和要求选择合适的材料可以提高产品的性能和质量。
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。
典型零件的选材及加工工艺路线分析讲解材料
轻量化
减轻材料重量，提高产品机动性，降低能源 消耗和排放。
环保化
发展可再生、可回收、可降解的材料，减少 对环境的污染。
智能化
研究具有自适应、自修复、自感应等功能的 智能材料。
新材料的研究与开发
碳纤维复合材料
具有高强度、轻质、耐高温等优点，广 泛应用于航空航天、汽车等领域。
高分子合成材料
具有优良的化学稳定性、绝缘性、耐 磨性等，在建筑、电子、化工等领域
03
材料的应用与发展趋势
材料的应用领域
01
航空航天
用于制造飞机、火箭等高强度、轻 质材料。
建筑领域
用于制造桥梁、高层建筑等高强度、 高耐久性材料。
03
02
汽车工业
用于制造发动机、变速器等耐磨、 耐高温材料。
电子产品
用于制造集成电路、晶体管等精密、 小型化材料。
04
材料的发展趋势
高性能化
提高材料的强度、硬度、耐高温等性能，以 满足更高要求的工业应用。
可加工性原则
材料应具有良好的可加工性， 以便于零件的制造和加工。
可维修性原则
材料应易于维修和更换，以提 高零件的使用寿命和降低维修 成本。
常用材料介绍
钢铁
钢铁是机械制造业中应用最广泛的材料之一，具 有高强度、良好的韧性和耐磨性。
铜及铜合金
铜及铜合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀 性和加工性能，广泛应用于电气、电子、化工等 领域。
实例二：齿轮类零件的选材与加工工艺
灰铸铁
用于制造一般用途的齿轮，如减速器齿轮等。
球墨铸铁
用于制造高强度、高耐磨性的齿轮，如汽车变速毛坯准备
根据零件材料和尺寸要求，准备毛坯。
粗加工
第七章机械零件的毛坯及材料的选用
第七章机械零件的毛坯及材料的选用第7章机械零件的毛坯及材料的选用7.1.1零件毛坯选择的基本原则7.2 零件材料的选用7.1 零件毛坯的选择常用毛坯生产方法的比较7.1.2零件的失效分析7.2.1选材的原则、方法和步骤7.2.2典型零件的选材7.2.37.1.3典型零件的毛坯选择127.1.1第7章机械零件毛坯及材料的选用 7.1 零件毛坯的选择零件毛坯选择的基本原则7.1零件毛坯的选择1. 使用性能原则2. 工艺性能原则1. 使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求对于结构形状复杂的中小型零件，应选择铸件毛坯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3第7章机械零件毛坯及材料的选用 7.1.1零件毛坯选择的基本原则1. 使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求（2）力学性能的要求在工作中承受冲击和交变载荷的零件，一般应选择锻造毛坯对于必须采用铸件，而又要求金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择压力铸造、金属型铸造和离心铸造等（3）表面质量的要求对于表面外观质量要求较高、尺寸较小的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或精密模锻对于尺寸较小的钢铁件，则宜选择熔模铸造或精密模锻（4）其它方面的要求对于具有特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足其要求4第7章机械零件毛坯及材料的选用 7.1.1零件毛坯选择的基本原则1. 使用性能原则材料的工艺性能是指毛坯满足各种加工工艺要求的能力，毛坯的工艺性能与其材料和结构特征有关对于铸件，在金属材料中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸钢。
而灰铸铁铸造性能最好。
对于锻件，低碳钢的锻造性能最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢的锻造性能接近于中碳钢，高合金钢较差；铝合金锻造性能不是很好，而铜合金的锻造性能很好。
塑料件结构设计及材料选取
Kraton（热塑性丁苯橡胶） -用途：摩打垫，手工具把手 -特性： 柔软，有弹性，韧度高，延伸性强。 -设计上的应用：多数作为摩打垫，吸收摩打 震动，减低噪音。
2 壁厚
一般不宜小于0.6~0.9mm，常选取2~4mm。 ABS：一般最先选择的材料，壁厚通常为1,
1.2, 1.5, 2, 2.5, 3mm，视乎产品的 大小和功能而定。 PP：因为比较软，而且基于缩水的问题，所 以不能太厚，一般为1, 1.2, 1.5mm。 薄壁件壁厚0.6mm。 PVC：因为多用由于外形，多是实心，所以限 制不大。 PS：1.5~5.0mm。 PC： 1.0~4.0mm。
•加强筯的布置 加强筋一般被放在塑料产品的非接触面，其伸展方向应 跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的 位置也受制于一些生产上的考虑，如塑料流动方向、收 缩方向及脱模方向等。
–PVC电线、电缆在制造、使用及废弃处理 时，都会产生大量的二恶英、氯氢酸、铅 等有害物质。
–设计上的应用:多数用于玩具，或一些需 要避震或吸震的地方。
PS （聚苯乙烯）
–用途：绝缘透明件、装饰件、化学仪器 、光学仪器；发泡PS（保丽龙），建筑隔 音、隔热层，冰箱保温层，一次性饭盒， 头盔缓冲层；
POM：一般为1, 1.2, 1.5, 2, 2.5, 3mm视乎 产品大小而定。
2 壁厚
基本设计原则 一般塑料件的厚度为2～3mm，如我们油烟机大面板壁 厚就是2～3mm，热塑性塑料最大设计壁厚为4mm。 壁厚的大小取决于： a 产品需要承受的外力； b 是否作为其他零件的支撑； c 承接柱位的数量； d 加强筯的多少； e 选用的塑料材料。 产品过厚从经济角度来看，不但增加物料成本，延长 生产周期冷却时间，增加生产成本。从产品设计角度 来看，增加导致产，增加产品的缩痕。
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常用材料及热处理或表面处理的选用
1.AL6061 (国产以镁和硅为主要合金元素的铝合金)
大约动态价格(目前采购价-下同): 55-65元/kg
中等强度(бb≮270Mpa),抗腐蚀性和机加工性好,质轻.
基础件、支承件和结构件等一般零件的材料均可选用AL6061.
AL6061可以视情况作以下表面处理:
(Ⅰ). 沉镍: 可提高表面硬度(热处理前为HV400-440即相当于HRC42-55)和光洁度.也就提高了耐磨性和抗腐蚀性. 沉镍
厚度一般在4-8μ.
表面沉镍可以是光亮的、半光亮的和无光泽的. (Ⅱ). 阳极氧化:也可提高表面硬度(达HV400-440即相当于HRC42-55) 和抗腐蚀性.黑色阳极氧化还有装饰效果.但表
面的色泽一致性和导电性较沉镍差.
阳极氧化又有以下四种供选择:
1). 阳极本色氧化(简称“氧化白”) 厚度一般在8-15μ
2). 阳极黑色氧化(简称“氧化黑”) 厚度一般在20-30μ
3). 硬质阳极氧化(简称“发硬白”) 厚度一般在12-20μ
4). 硬质阳极氧化黑(简称“发硬黑”) 厚度一般在20-30μ2.AL6063 (国产以镁和硅为主要合金元素的铝合金)
大约动态价格: 30元/kg;
除了强度(бb≮200Mpa)稍低外,其余性能和表面处理与AL6061同,但由于其产量大而价格优势明显,一些不重要的零件
在满足强度的条件下应优先选用AL6063来替代AL6061 . 3.AL7075 (国产以锌为主要合金元素的铝合金)
大约动态价格: 65元/kg
与AL6061相比,这是一种高强度铝合金(бb 为其的2倍),可淬火处理,但塑性较低. 其余性能和表面处理与AL6061同. 在强度方面要求比AL6061高的零件可选用.
4.Q235A (即老标准的A3钢, 国产普通碳素结构钢)
大约动态价格: 7元/kg
这是应用最广的普通碳素结构钢,特别是板材.质优价廉.
一般壳罩类零件(俗称“钣金件”) 的材料均可选用Q235A.
此种材料的壳罩类零件易生锈,一定要作表面处理.我公司在设计图纸上常简写成“烤漆颜色:电脑灰” .其实包括:
1)如果已生锈,要作除锈处理.
2)作漆前处理:一般要经过“脱脂”- “磷化”-(钝化)等处理.
3)喷底漆凉干,按色卡选择或调配“电脑灰”颜色的氨基醇酸
树脂或丙烯酸树脂烘漆(面漆),进行喷涂.
4)对已喷涂的工件进行烘烤,形成漆膜覆盖于工件表面.
除了“烤漆”外, 钣金件还可以进行“喷塑”处理. “喷塑”的厚度比“烤漆”的厚度(80-100μ)大得多(5-10倍).有里硬外软的感觉,但其与金属表面的附着力远比漆膜小.且均匀性亦较差.
5.SUS304 (日本牌号的不锈钢,我国相应牌号为0Cr18Ni9 )
大约动态价格: 52元/kg
外观要求较高的壳罩类零件( “钣金件”) 的材料可选用SUS304 .
其表面不需烤漆或喷塑,只作“钝化”处理即可.
6.SUS303 (日本牌号的不锈钢,我国相应牌号为Y1Cr18Ni9 )
大约动态价格: 45元/kg
这是一种切削性能较好的不锈钢,与AL6061相比,其具有很好的耐腐蚀性和很高的强度(бb 为AL6061的2倍),因此,对耐腐蚀性和强度都要求较高的机加工件,其材料可选用SUS303.
7.SUS440C (日本牌号不锈钢,我国相应牌号为11Cr17和9 Cr18 )
大约动态价格: 160元/kg
这是一种含碳量很高的不锈钢,可以进行淬火处理而提高其硬度(HRC>55).但加工后要作退磁处理. 因此,对硬度(耐磨性) 和耐腐蚀性都要求高的机加工件,其材料可选用SUS440C.
8.S136(H) (STAVAX ESR 瑞典“一胜百”不锈钢牌号,国产牌号相
同)
大约动态价格: 35元/kg (国产价,进口价约为此2倍)
S136是一种可淬硬至HRC45-55的不锈钢,也可作调质处理,表面可加工成镜面,(S136H预硬钢出厂硬度HRC30-35), 加工后也要作退磁处理.因此对耐腐蚀性和硬度(HRC>40)都有要求(但比SUS440C低)的机加工件,其材料可优先(因价低)选用S136.
9.45 (国产优质碳素结构钢中的中碳钢)
大约动态价格: 8-12元/kg
这是一般机械零件最常用的材质. 质优价廉,可调质或淬火处理.强度高(бb≮600Mpa),但抗锈蚀能力比不锈钢和铝差得多.承载较大的零件,特别是轴类零件可选用45钢,如果还要求淬得较硬的可选50等高碳钢.为防锈,表面要作氧化处理,俗称发蓝或发黑.
10.SKD11 (日本牌号工具钢,我国相应牌号为Cr12MoV )
大约动态价格: 46元/kg
这是一种最常用的冷作模具钢.淬火硬度HRC≥58,要求高硬
度、高耐磨性的零件可选用.
11. ASP-23 (瑞典“一胜百”粉末高速钢牌号)
大约动态价格: 520元/kg
高硬度、高耐磨性、高韧性粉末高速钢. 交货硬度HB 260 .
使用硬度高达HRC60-66,主要用于精密冲模的冲头.
12. POM 一种工程塑料,名称为“聚甲醛”,俗称“赛钢”.
大约动态价格:板:白色45元/kg ;黑色65元/kg.棒55元/kg
与一般常用的工程塑料(例如尼龙和ABS等)相比,强度高(бs ≮62Mpa),硬度大(HB≮14),耐磨性好,蠕变小.
受力不大、与其他零件接触时需要保护其表面不受损伤的质轻零件可选用.(注:还有一种防静电的POM,价格约338元/kg) 13. UR (Urethane)聚氨酯橡胶, 俗称“优力胶”“黄胶”
大约动态价格: 30元/kg
“优力胶”主要用作模具弹簧和同步带等,在机械上,缓冲垫、弹垫
和一些要求弹性变形的零件可选用.
14. 有机玻璃(PMMA) 化学名称: 聚甲基丙烯酸甲脂.
大约动态价格: 28元/kg
有极好的透光性,有一定的强度和耐温变性.质较脆,表面硬
度不够,易擦毛.可用在罩盖上作观察用的透明零件.
15. 电木(酚醛树脂或环氧树脂层压板)
大约动态价格: 32元/kg
电气绝缘性能良好,可用作电器底板.
(最近公司也采用镀锌钢板作电器底板)
16. 铝型材
截面形状和尺寸种类繁多,主要用来构造机架和大罩盖的边框.
常用规格有:30×30; 30×60; 40×40; 40×80等.
此外,用作传感器安装导轨的铝型材,如SENC5(MISUMI型号)等.
17. 方钢管(俗称“方通”)
用得较多的是结构用焊接方钢管(GB/T6728).
主要用来制作较大的机架(框).
常用规格有:30×30×2.5; 40×40×2.5等.
制成的机架(框)还要作表面处理(与Q235A相同).。