(完整版)常用机械工程材料基础

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用于表面强度高，心部韧性高的场合，渗 碳、淬火后可获得很高的表面硬度。耐磨 性高。如制造万向节、精密传动螺纹轴等。
用于重载、高强度、大尺寸、高耐磨场合。 可氮化处理。
500 用于高低温、强腐蚀性条件。如船舶等。
轴类零件实例之悬吊型DXR之球馆旋转轴：
球馆组件
伸缩桶
束光器
球馆旋转主轴系统组件 （锥齿轮传动、电磁离合器、 伺服电机、圆周定点定位）
值齿轮、 齿条属于 渐开线的 一种。
涡轮蜗杆
传动比大，传动平稳，结 多用于中、小负荷和间歇
构小，在一定的压力角下 传动场合。医疗设备中的 可以自锁。但传动效率低。电动推杆多数为涡轮蜗杆
传动。
这里主要 指阿基米 德和渐开 线形式。
锥齿轮
锥齿轮分直齿和斜齿等。 直齿锥齿轮制造较斜齿容 易，成本低。但传动噪声 大，没有斜齿平稳，传动 速度小。斜齿锥齿轮经磨 齿后速度可达5m/s.
45~50
206 强度和弹性均优于碳素弹簧钢丝。用于重 要的弹簧。
45~50
206 强度和弹性与 65Mn相当，耐温性优于前 者。可用于对温度要求不高的场合。
45~50
206 强度高，性能好。热处理后，可获得极好 的疲劳极限。高温性能稳定，可用于发动 机阀门弹簧等。
--==
190 弹性和强度均低于以上碳钢类弹簧。但具
常用轴类材料特性
材料
热处理
20
正火
35
正火
45
调质
40Cr
调质
20Cr
渗碳、淬火
38CrMo
1Cr18Ni 9Ti
调质 淬火
抗拉强度 （Mpa）
用途 小载荷，不重要的轴，定心、定位等。
480 载荷不大，用途比较广泛。
580 应用最为广泛。中等载荷，或交变载荷， 可承受一定的冲击载荷。
750 用于较重要的场合，可承受交变载荷，和 中等程度的冲击；高速旋转场合。
机架结构件应用实例
CT立柱
容易成型，延展性好， 套圈、垫圈、拉杆，渗碳 焊接性好，强度不高。 零件及焊接件。
中等载荷，焊接性比较 可做金属结构件，拉杆、
好。
连杆、吊钩套筒，一般用
轴等。
中等载荷，焊接性尚可。 转轴、摇杆等强度要求不
很高的零件。也可用作轴 类、链轮、齿轮等。
1。2 优质 碳素结构钢 （GB/T699-2006）
40CrMn
淬火处理后可获得高的机 用于制作在高速和高弯曲负
械强度和表面硬度。
荷下工作的零件。如齿轮轴、
齿轮、离合器等。
强度高，淬透性好。后者 主要用于制作振动载荷下的
18CrNiMnMoA 经热处理后抗拉强度可达 承载零件，飞机发动机曲轴、
45CrNiMoVA 1470MPa.
高强度结构件、抗扭力轴等。
不大的零件。如齿轮、机床
主轴次要弹簧等。
牌号
性能
用途
备注
强度硬度均相当高，但切削 制作高承载轴、轧辊、弹
性不好，焊接性很差。水淬 簧、离合器等耐磨性好和 60 有裂纹倾向。小尺寸件可以 弹性大的零件。
淬火，大件一般正火。
20Mn
典型的高猛低碳渗碳钢。淬 透性好。用于制作表面硬度 高、心部韧性好的零件。
复合材料主要有玻璃钢，金属与某些高分子材 料的合成等，这类材料使用场合特殊，用量较 少.如耐高温复合材料等。（此类少不讨论）
一、黑色金属材料的性能及其选用
1。1 碳素结构钢 （GB/T700-2006）
牌号
性能
用途
备注
Q195 Q215 Q235 Q275
容易成型，延展性好， 载荷小的零件，如垫圈、 焊接性好，强度不高。 开口销，冲压件、焊接件
铍青铜 QBe2
性能
用途
良好的导电、导热性能，可以 制作电线、导电螺栓、
焊接、钎焊。
垫圈等。
良好的力学性能，切削性好。 制作各种低承载结构件、
价格低廉，是应用最为广泛的 散热件、螺钉、螺母、
黄铜。
垫圈等。
很好的耐磨性，抗磁性好，很 制作弹簧、电刷等弹性 好的弹性。且效能好。易焊接、 元件。 钎焊。
力学、物理、化学综合性能良 好的合金。可热处理强化。同 时具有高的导电性能、耐热性 和耐寒性。易于焊接和钎焊。 但价格昂贵。
应用最为广泛的硬铝。可热 用于飞机上的骨架和各种要求
处理强化。点焊性好，切削 高的零件。仪器仪表架、通信 LY11
性好。耐蚀性较差。
机箱机柜骨架等。
LY12
6061强度中等，2A50强度高。 6061可制作中等强度的复杂零
两者均可热处理强化。焊接 件，和装饰性外观件。2A50可 LD30
性一般。
制作各种形状复杂的关键零件。 LD5
UC臂末端 伺服系统 锥齿轮输入端
锥齿轮输出端 输出轴
旋转编码器
齿轮零件应用实例2
2、UC臂型DXR ，UC臂旋转齿轮 轴承。小齿轮为 齿轮轴。
电机减速 机输出齿 轮轴
齿轮轴承
UC臂齿轮旋转系统选材特点
1、齿轮轴承：M=2；齿数=125；无间隙回转。 2、小齿轮：M=2；齿数=18； 3、载荷：Q=220KG.
4、机架结构件
机架设计除了要考虑系统结构类型，受力模型分析等因素外，其 中主要的一点就是材料的选择和加工工艺的设计。在满足使用目的的 前提下，最终设计成结构简单，重量轻、加工方便、成本低廉、装配 合理简便的方案为最佳。
一般来说，选择低碳钢材料进行焊接加工，变形小，可焊接性好 ，焊后可以不进行去应力热处理。但其强度较低，不适合高载荷承载 要求。中碳钢强度高，但焊后变形大，需要进行去应力热处理。加工 成本高。
调质后具有良好的综合机 主要用于轴类零件、曲轴、 重要场合
械和力学性能。也可以淬 曲柄、连杆齿轮等。也可制 用途最广
火强化。
作高强度螺栓等。
热处理后综合性能比20Cr 用于无级变速器、磨察轮、 好。但成本高于前者。 齿轮、轴等重要零件。
40CrMn
淬火处理后可获得高的机 用于制作在高速和高弯曲负
械强度和表面硬度。
牌号
性能
用途
备注
强度低，塑性和韧性好。无 可制作拉伸、冲压件，如机
08F
剩磁。已成型。焊接性能优 罩、壳盖、心部强度要求不
良。
高的渗碳淬火件。
冷变形塑性高，剩磁少。一 制作杠杆、轴套、起重钩等。
20
般做压延件，正火、回火后 也可以进行渗碳、氰化处理， 可以获得更好的压延特性。 获得表面硬度高心部韧性好
有很高的耐腐蚀性能、耐磁性能、和耐高
低温性能。
90~100 128 (HB)
导电性能好，有较高的耐蚀性、耐磁性。 可制作弹性电刷和防磁元件等。
2、轴类 从设计方面考虑，轴类零件主要有：转轴、心轴、传动
轴。从结构方面主要分：实心轴、空心轴、台阶轴、细长 轴等。
轴类零件材料选择的因素：载荷（超大载荷、交变应 力）、使用环境（特殊性、强腐蚀、高低温）、极限转速 等。 1）实心轴 2）空心轴 3）细长轴
机械 设计与制造基础
常用机械工程材料基础
机械工程材料概说：
机械工程材料主要分为：金属材料、非金属材 料、和复合材料三大类。
金属材料分为黑色金属（即钢铁）、有色金属 。这类材料强度较高，主要设计承载零部件。 加工工艺复杂，难度大。
非金属材料包括橡胶、塑料、玻璃、陶瓷等。 其成型方式主要使用模具。切削的加工方法较 少。
制作凸轮、齿轮、联轴器、 曲轴、万向节关节等重要 零件。
1。3 合金结构钢 （GB/T3077）
牌号 20Cr
40Cr 20CrMn
性能
用途
备注
优质渗碳钢。经渗碳淬火 主要用于制作小尺寸、形状
后可获得表面高硬度，心 简单的耐磨零件。如：齿轮、 部高韧性的效果。一定条 链轮、凸轮等。 件下可替代20CrMn钢。
3、齿轮 根据传动条件和要求，齿轮传动形式多样，渐开线、圆
弧齿轮、锥齿轮、双曲线、阿基米德蜗杆等。其结构亦繁 多。但主要以渐开线形式的齿轮为最多。
齿轮材料的选择主要以载荷、旋转精度、极限转速、 使用环境、等因素决定。如，UC臂型DXR上UC臂旋转齿轮 使用渐开线形式；悬吊型DXR球馆旋转需要传递90°角度 功能，则选用锥齿轮传动等。
性能
用途
备注
优质渗碳钢。经渗碳淬火 主要用于制作小尺寸、形状
后可获得表面高硬度，心 简单的耐磨零件。如：齿轮、 部高韧性的效果。一定条 链轮、凸轮等。 件下可替代20CrMn钢。
调质后具有良好的综合机 主要用于轴类零件、曲轴、
械和力学性能。也可以淬 曲柄、连杆齿轮等。也可制
火强化。
作高强度螺栓等。
热处理后综合性能比20Cr 用于无级变速器、磨察轮、 好。但成本高于前者。 齿轮、轴等重要零件。
医疗设备上的UC臂型和悬 吊型DXR上均有直齿锥齿轮 传动。UC臂型的平板探测
器旋转为直齿锥齿轮。悬
吊型的球馆旋转为直齿锥 齿轮传动。
齿轮零件应用实例1
1、UC臂型DXR探 测器旋转机构，伺 服系统输入，联接 到小锥齿轮，大锥 齿轮输出，旋转编 码器纪录转角，实 现探测器左右旋转 30°角度，满足患 者不同角度的X线 摄影需求。
根据以上条件，传动比为7，确定，齿轮轴承 材料为GCr15 加工后调质处理，硬度HRC35~40 ；齿轮轴材料为45Cr,淬火后HRC45~50.
涡轮蜗杆传动实例之 乳腺机机头旋转机构
束光器
球管组件（高压等）
涡轮蜗杆传动付 旋转机头
压迫器
探测器
乳腺机机头可以在180 °到--160 °范围旋转，其回转机构由涡轮蜗 杆完成。蜗杆材料旋转40Cr,涡轮尺寸较大，齿面为青铜，回转体 为45号钢调质处理。
常用弹簧材料特性
材料
碳素弹簧钢丝 GB/T4357
65Mn
60Si2Mn 硅锰弹簧钢
50CrVA 优质弹簧钢
1Cr18Ni9 不锈弹簧钢
Qbe2 铍青铜
硬度范围 弹性模量 (HRC) （E/GPa）
用途
40~43
200 弹性高，性能好。分B、C、D三级。B级用 于低应力场合，C级用于中等应力场合，D 级用于高应力场合。
齿轮传动类别及在医疗设备上的应用
名称
特点
应用举例
说明
渐开线圆 柱齿轮
传动效率高，传递功率大，机床、汽车、矿山机器、
加工和维修方便，成本低 自动化设备等。医疗设备
廉。尤其易于精密加工， 中DXR、CT、MRI等均有采
是齿轮传动中应用最为广 用。如:悬吊型DR天车移动、
泛形式。
UC臂型DXR C臂的旋转等。
的零件。
35
有好的塑性和中等强度。切 用于制作曲轴、转轴、杠杆、 削性能好，焊接性能尚可， 连杆、套筒等。
但焊接前要预热。焊后需进
行去应力处理。
有好的塑性和中等强度。切 一般在正火或调质状态下使
削性能好，焊接性差。调质 用。制作中等强度的耐磨零
45
后可获得比较好的综合机械 件，也可制作动载荷或冲击
和力学性能
制作各种精密仪器仪表 弹性元件、电刷、各种 耐磨零件和在高速旋转 下的轴承衬套等。
备注
三、常用机械零件材料选择
1、弹簧
弹簧种类繁多，结构形式多样。金属类弹簧但主要有螺 旋弹簧、板弹簧。螺旋弹簧又分为拉伸型、压缩型、扭力 型等。板弹簧如汽车减震、电刷（青铜材料）等。小尺寸 的金属带绕成螺旋涡卷弹簧，用作机械手表的游丝、玩具 的动力、弹簧比较仪（精度：0.001mm)等。
悬吊隙宽度=3mm. 在满足离合器、轴承 等的条件下，允许轴 的直径为15mm.原设 计轴的材料为45号钢 调质后HRC27~30.由 于轴的刚度不够，装 配完成后，在球馆、 束光器等的重力作用 下，此处缝隙上宽、 下窄，手动控制很难 完成球馆选择动作。
该轴的材料由45号钢改为38CrMo，同样进行调质处理，强度增 加2培。缝隙平行度满足使用要求。
二、有色金属材料的性能及其选用
1、铝合金（变形铝、铸造铝）
牌号
性能
用途
备注
工业纯铝 1A99
防锈铝 5A02
硬铝 2A11 2A12
锻铝 6061 2A50
超硬铝 7A04
铸造铝 ZL101A ZL201A
工业纯铝，主要用于科研、 X线衰减模型、灰度测试、线对
和有特殊要求的用途。
测试等。
L2
强度不高，焊接性好。热处 制作中等载荷零件。仪器骨架、 LF21 理不能强化。切削性好。 容器等。
荷下工作的零件。如齿轮轴、
齿轮、离合器等。
强度高，淬透性好。后者 主要用于制作振动载荷下的
18CrNiMnMoA 经热处理后抗拉强度可达 承载零件，飞机发动机曲轴、
45CrNiMoVA 1470MPa.
高强度结构件、抗扭力轴等。
1。4 弹簧钢（GB/T700-2006）
牌号 20Cr
40Cr 20CrMn
可热处理强化，但可塑性不 制作飞机上的大梁、桁条、起 LC4
好。切削性能良好。
落架等。
耐蚀性良好。201的强度可2 制作形状复杂的承载件。如DR 培与101.但201铸造性差于 立柱，CT、MRI扫描床支架等。 101.可热处理强化。
2、铜合金
牌号 纯铜 T2/T3 黄铜 H62
锡青铜 QSn4-3