第六章第六节机械结构设计

3)加工性能好．塑性也好，可以冷成型。
由以上特点，铝合金广泛应用于航空工业及其他轻质零件， 如内燃机的活塞和仪表壳体等。铝合金的牌号、元素及应 用举例如表6—18所示。 28
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(2) 铜合金 铜合金有较高的耐磨性、耐腐蚀性、导电性、 导热性，广泛用于制造轴套、蜗轮、泵体、管道配件以及电 器和制冷设备上的零件。 常用的铜合金分为：黄铜、白铜和青铜。 黄铜是铜与锌组成的合金。锌能提高黄铜的强度和塑性。再 加其他元素时称为复杂黄铜。加锡称锡黄铜，加铝称铝黄铜。 黄铜价格较低，应用广泛，常用于耐磨、耐腐零件，如蜗轮、 重载齿轮、海轮螺旋桨等。 白铜是铜与镍的合金，再加入其他元素称为复杂白铜，有锰 白铜、铝白铜等。白铜的特点有很高的化学稳定性，可制造 在腐蚀介质(如海水、有机酸和各种盐溶液)中工作的零件。 青铜是铜与锡的合金。锡能显著提高青铜的强度和硬度，但 单纯的锡青铜很少用，一般还加入磷、锌、铅等，这样还能 提高弹性强度和疲劳强度，并有较高的耐磨性，适用于重载 30 高耐磨零件。
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此外，选择材料时，根据毛坯制造工艺要考虑材料的锻造性 能、铸造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要选用低 碳钢。
以上以金属材料为例的注意各项，对塑料等材料的选用也是 基本适用的。
(三)材料的经济性问题
材料的经济性不仅是指材料本身价格应便宜，更重要的是 采用所选用的材料来制造零件时。有助于产品的总成本降至 最低，同时所选材料应符合国家资源状况和供应情况等。
一般工程用国产铸钢有五种牌号，其力学性能见表6—l 6
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2、钢 钢是机器制造中用得最广 泛的材料，常用的钢材有 碳素钢、合金钢，品种较 多。选择钢材时，除了零 件的使用要求外，还必须 考虑材料的热处理性能和 机械加工性能。 1）钢的分类： 在碳素钢的基础上，根据 不同要求再加人各种元素 如Ni，Cr，Mo，W，V， Ti，B等，以改善各种性能， 例如提高淬透性、耐磨性、 硬度、冲击韧性、断裂韧 性和高温强度等。
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B）低合金刃具钢 低合金刃具钢最高工作温度不超过300℃。含碳量一般 在0.8％一1.5％，以保证足够的淬硬性和耐磨性。合金元 素总含量通常不大于5 ％ 。主要加入元素铬、硅、锰，以 提高钢的淬透性和强度。再辅以钨和钒等，以形成碳化物、 提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。低合金刃具钢的热处理 与轴承钢相近。 常用低合金刃具钢的牌号、热处理及用途列于表6—15。 最常用的低合金刃具钢是9SiCr、CrWMn、9Mn2V和 CrW5。
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复合材料有以下优点：
①比强度、比模量大。比强度和比模量是指材料的强度、 弹性模量分别与密度之比度越大，零件自重越小；比模量 越大，零件的刚性越大。 ②化学稳定性好。耐腐蚀性好。 ③减摩、耐磨、自润滑性好。
根据以上特点，在机械工业中复合材料可制造风扇叶片、 齿轮、压力容器、泵、阀、密封件等。
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二、常用材料
机械结构常用材料有铸钢、钢、铸铁、球墨铸铁、有色金属、 非金属材料和复合材料等。
1、铸钢
铸钢主要用于制造承受重载的大型零件。由于内部组织不如 轧制或锻造钢件，其强度略低于普通锻钢．但其杭弯强度约 为灰铸铁的二倍，抗压强度相当，抗扭强度约高 50％．其减 震性和减摩性均较灰铸铁略差。目前大都采用正火、回火作 为最终热处理。按用途可分为一般用途的普通碳素铸钢、低 合金铸钢、耐腐蚀铸钢和耐热铸钢等特殊用途铸钢。其中碳 素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80％以上。
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4、有色金属 常用的有色金属有铝、铜、锌、锡、铅、镁等。纯金属强 度低，一般不单独用；而是以合金来制造零件。常用铝合 金和铜合金。
(1)铝合金
具有以下特点：

1)比重小、比强度高，采用各种强化手段后，可以达到 与低合金高强钢相近的强度。 2)导电性好，仅次于银、铜和金。其资源丰富，成本较 低。其磁化率极低，接近于非铁材料、可用于制造电动机 的壳体等。
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(2) 复合材料 复合材料是由两种或两种以上性质不同的 材料，通过某种工艺手段复合而成的材料。两者复合，保 留了各自的优点，得到单一材料无法比拟的，优越的综合 性能。 复合材料一般分为纤维复合、层叠复合、细粒复合和骨 架复合材料。
应用较广的为纤维复合材料，在复合的原料中，纤维性 材料对复合材料的综合性能起到了重要作用，属于增强材 料。目前采用的纤维有玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、碳 化硅纤维和陶瓷纤维等。复合材料中纤维由基体牢固地联 结起来，基体一般采用树脂，树脂的种类很多。
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5) 钢的型材加工
炼成的钢液可通过直接浇铸成铸钢件，即形成结构、形状 寸与零件大致相同的铸造毛坯。但绝大部分都是先浇铸成 钢锭后再经塑性变形成形。 少量钢锭通过锻造成形。更多的是经轧制、挤压和拉拔 等方法制成各种钢材，如钢管、钢板、型钢、钢丝等，如 图6—1所示。
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3、铸铁
具有良好的铸造性能、切削性能，容易获得。但可焊性 差．只能用铸造方法来成形铸件。缺点是强度较低。铸铁 一般分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊铸铁等。灰 铸铁的断面呈暗灰色，强度较低，脆性较大，但耐磨性比 较好，用于中等载荷下的结构件、复杂的薄壁件，使用温 度不能超过400℃；可锻铸铁有较好的强度和塑性、耐磨性 和减振性优于普通碳素钢，适于制造尺寸小、形状复杂， 不能用铸钢或锻钢制造的零件，如汽车前后轮壳、矿用轮、 三通、低压阀门等；球墨铸铁耐磨性非常突出，强度和普 通碳素钢接近．但塑性和韧性较钢低，适合制造阀体、轴 瓦、曲轴、凸轮轴等零件。 灰铸铁铸件的抗拉强度见表6—12，球墨铸铁的力学性能见 表6—13，可锻铸铁的力学性能见表6l— 14和6—15。
例如：工具钢中的刃具钢：
刃具钢用于在工作中受到很大的切削力、摩擦与切削热 作用的产品，因而要具备高的硬度(60HRC以上)、耐磨性 和高的热硬性，还应有足够的强度和韧性，以防断裂或崩 刃。 根据化学成分，刃具钢可分为碳素工具钢、低合金刃具钢 及高速钢三类。 A）碳素工具钢 含碳量在0.65％一1.35％的优质或高级优质高碳钢。高碳含 量可保证淬后有足够的硬度。常用碳素工具钢的牌号、热 处理及用途见表6—14。
2）铸铝合金种类很多。其强度略低于各类锻铝合金，多用 于民用小型机械支架等件，也可用于飞机结构和航空发动机 中支座零件。
3）铸镁合金强度低于铸铝合金，质量轻，可用于飞机结构 上的挂架。
4）铸造轴承合金有锡基、铅基、铂基和铝基四类，铜基的 抗拉强度高、硬度高。这种合金的选用常根据滑动轴承的设 计而定。
第六节
材料的选择
一、材料选择应注意的主要问题 针对具体的应用条件选择合适的机械零件材料时， 需要考虑的主要问题有三：①所选材料的特性和在 承载或温度或其它环境因素变化条件下的行为能否 满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包 括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力，常 常表现为承载能力的问题；②所选材料是否容易加 工，适合所设计的零件的可能的加工条件，这是材 料的加工工艺性能问题；③用所选材料制成的零件， 其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件 成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问 题。
在一般机械中的应用
1）泵：玻璃纤维环氧树脂泵，酚醛石棉泵，酚醛纤维增强聚 丙烯等玻璃钢泵。 2）阀：聚乙烯醇缩丁醛改性酚醛玻璃钢阀，纤维增强聚丙烯 阀。 3）风机：聚酯玻璃钢风机叶片，环氧树脂玻璃钢风机，环氧 玻璃钢和聚氯乙烯一玻璃钢复合材料通风机机壳和叶轮。 4）燃气轮机：碳纤维增强塑料燃气轮机叶片。 5）压气机：Kevlar—49混杂纤维增强塑料。
低碳素铸钢有良好的导磁性，常用于铸造电磁吸盘和电机壳 体以及各种形状的机件，如机座、变速箱壳等。中碳素铸钢 的综合的机械性能比较全面，广泛应用于铸造重要的机械零 件如轧钢机机架、机车车架、重型齿轮、联轴器等。高碳素 6 铸钢因韧性较差，很少应用。
不锈耐酸铸钢可用于石油、化工、原子能工业中的流体机 械的零件，如泵壳、阀、叶轮、水轮机转轮或叶片、螺旋 桨、离心铸件等。
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2）钢的编号
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3）钢的成分特点：
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4）杂质S、P的影响 钢中作为杂质存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。 Mn、 Si一般是为脱氧加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用， 能脱硫。 硫和磷是随炼钢原材料进入钢中。硫与铁形成化合物FeS。 FeS与Fe形成低熔点晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化而 脆化开裂，这称为“热脆”；磷溶于铁素体会导致钢在低温 时的塑性、韧性急剧下降，称为“冷脆”。属有害元素，应 子严格限制。生产上根据钢中S、P含量，把钢分为普通钢(S ＜ 0.055％、P＜0.045％)、优质钢(S、P＜0.040％)、 高级优 质钢(S＜0.030％、P＜0.035％)。 硫、磷虽是有害元素，但在某些情况下却有有益的一面， 如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑， 这种钢称为易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气 中的耐蚀性。
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常根据合金元素含量的多少，把合金钢分为：低合金钢（＜ 5％，中合金钢 (5％一10％)，以及高合金钢(＞10％)。也可 按用途分： ①合金结构钢。这类钢含碳量低，含合金元素不超过5％， 有良好的韧性和可焊性，适合桥梁，船舶、车辆、锅炉、压 力容器、起重机等用。而在优质碳素结构钢的基础上增加某 些元素而成的合金结构钢能制造重要的机械零件，常用的有 20Cr ． 40Cr ， 35CrMo ， 18CrMnTi ， 40CrNiMo 等可用于 各类轴、齿轮、活塞销等零件。这类零件都必须进行适当的 热处理、才能达到所需的机械性能。 ②合金工具钢。这类钢主要用于制造刀具、量具和模具。 ③特殊性能合金钢。这类钢具有特殊的物理化学性能，如耐 磨、耐蚀、导磁、抗磁等。 ZGMn13是著名的耐磨钢，用于回旋破碎机主轴，掘土机铲 9 齿、拖拉机履带等零件。
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2．力学性能要求较高的一般零件 毛坯→正火或退火→粗加工→最后热处理(淬火、回火 或渗碳处理等) →精加工