第9章机械零件设计概论.ppt1-9

（一）钢
钢具有很高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善 机械性能和加工性能。 钢可以进行锻造、冲压、焊接等应用相当广泛。 钢和铸铁的区别主要是含碳量不同。含碳量小于2％的称为钢。 含碳量大于2％的称为铸铁。 钢可分为碳素钢和结构钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量， 含碳量越高钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能 特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。 1.普通碳素结构钢 GB700-88 牌号：Q＋数字 例如：Q235 表示屈服强度σs＝235MPa 。 这种钢主要用于受力不大，而且基本上承受静载荷的机械零件 和建筑材料。可制造钢板、角钢、槽钢、圆钢、铆钉等。 见表9－1
2.青铜 GB1176-87 牌号ZCuSn5Pb5Zn5表示铸锡青铜 ，含5％锡， 5％铅，5％锌， 余量85％的铜。可制造轴瓦、蜗轮及耐磨、耐蚀性等零件。
二、非金属材料 1.橡胶
橡胶富于弹性、能缓和冲击、吸收振动，还具有耐磨、 绝缘等性能。
常用在弹性元件、联轴器、传动胶带、轮胎、密封垫圈等。 2.塑料
例如：45钢 表示含碳量0.45％的优质碳素结构钢。见表9－1 3.合金结构钢 GB3077-88
牌号：数字＋化学元素＋数字
注意：当合金元素的含量＜1.5%时，牌号中只标明元素符号而 不标含量。
例如： 40Cr 表示含碳量0.4％，含铬小于1.5％ ，铬能提高强度、 硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能。
常用来制造中小型轴、齿轮以及各类工程结构。见表9－1
§9－4 机械零件的耐磨性
零件抗磨损的能力称为耐磨性 1.磨粒磨损； 2.粘着磨损； 3疲劳磨损；
4腐蚀磨损。
§9－5机械制造常用材料及其选择
一、 金属材料
钢：（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）
碳素钢
碳素结构钢
普通碳素结构钢 如Q235、Q275等 低碳钢C＜0.25% 如20
优质碳素结构钢 中碳钢0.6%＜C＜0.25% 如45
§9－3 机械零件的接触强度
因为高副机构是以点、线接触来传递载荷，由于局部弹性变形
而形成了小的接触区，在很小的接触区表层产生很大的应力称为
接触应力。在接触应力作用下零件的强度称为接触强度。比如：
齿轮、滚动轴承等。
最大接触应力为：
H
Fn b
.
1 1
112 E1
1 2
122 E2
接触疲劳强度条件为：σH≤［σH］ 则 ［σH］＝σHlim／SH σHlim——接触疲劳极限 SH ——安全系数
2.球墨铸铁 GB1348-88 球墨铸铁的强度、塑性和韧性都比较高，常用来代替钢材制造曲轴、
齿轮、连杆和凸轮轴等重要零件。牌号：QT450－10表示σB＝450Mpa 最低延伸率δ＝10％ 见表9－1 。 （三）有色金属 在工业上把铁以外的金属统称为有色金属。它具有导电性、导热性、 耐腐蚀性和减摩性等。 1.黄铜 黄铜是铜和锌组成的合金。主要制造垫片、衬套、管子，管接头等 耐腐蚀零件。牌号：H62 表示黄铜：铜（Cu）含量62％， 余量38％锌（Zn）。 例如：ZHPb48－3－2表示48％铜， 3％铅，2％铁，余量为47％锌的铸造黄铜。
4.铸钢 GB1152-89 将钢熔化后浇注到铸模中，以便获得一定形状和尺寸的毛坯。
适用形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高的机械零件。 比如像重载大型齿轮、轧钢机、机架、减速器、齿轮箱等。 铸钢分为：碳素铸钢和合金铸钢两类。 例如：ZG270－500 表示屈服强度σs＝270Mpa σB＝500Mpa 碳素铸钢。 如ZG35SiMn 表示含碳量0.35％ ，含硅、锰在小于1.5％合金铸钢。 表9－1 （二） 铸铁
3.淬火
提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形 或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件 的韧性。
4.回火
根据回火加热温度不同可分为 （1）低温回火： 加热温度在150°～200°。可以减少内应力和脆性，仍然保持 淬火钢的高硬度和耐磨性。适用刀具、量具等。 （2）中温回火：加热温度在350°～500°。淬火钢经中温回火后，
工作能力计算准则:
针对各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件，
这种为防止失效而制定的判定条件称为工作能力计算准则。
主要有强度、刚度、耐磨性等。
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§9－2 机械零件的强度
一、名义载荷和计算载荷 根据额定功率用力学公式计算出并作用在零件上的载荷 称为名义载荷（如力F功率P转矩T）。 计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载荷等于 名义载荷乘以载荷系数K。 机械零件的设计计算一般按计算载荷
［σ］＝σs／s 对脆性材料取材料的强度极限σB作为极限应力
［σ］＝σB／s 2.变应力下的许用应力 对称循环疲劳极限取σ－1作为极限应力［σ-1］＝σ-1／s 脉动循环疲劳极限取σ0作为极限应力［σ0］＝σ0／s
五、安全系数
安全系数取得过大将使结构笨重；安全系数取得过小
可能不够安全。 S > 1要按教材给的系数取。
二、配合
同一基本尺寸的孔与轴装配在一起称为配合。 根据公差带的相对位置，配合分为：间隙配合——孔比轴大，用于 可动联接。过盈配合——孔比轴小，用于静联接。过渡配合——可 能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有良好的同轴性而又便 于装拆的静连接。 配合制度有基孔制和基轴制。 基孔制——孔是基准孔，下偏差为零，代号H。它的各种配合特性 是改变轴的公差带来实现的（9－11）。 基轴制——轴是基准轴，上偏差为零，代号h。各种配合特性是靠 改变孔的公差带来实现的。
现以孔与轴为例简单介绍公差与配合。 如图所示：设计给定的尺寸称为基本尺寸。零线代表基本尺寸 的位置。由代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。 在国家标准中，公差带包括“公差带大小”与“公差带位置”两个
参数。公差带大小由标准公差确定，公差带位置由基本偏差确定。 例如 f8－表示轴的公差带代号，轴的基本偏差代号f 。 标准公差IT8 公差等级8级， 国家标准规定孔与轴的公差带位置各有28个，分别用大小写 字母表示。还规定了20个公差等级，用阿拉伯数字表示。 例如：H7表示孔的公差带代号，基本偏差代号为H，标准 公差IT7公差等级。 机械制造中常用的公差等级是4～11级。从机械设计手册查。
比重小、成本低，注塑成型方便等，可以制造齿轮、轴承村、 摩擦片等。 3.复合材料
是由两种以上金属或非金属材料复合而成的一种新型材料。 用来制造 压力容器、车辆外壳等。
三、钢的热处理简介
热处理 将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的
工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能 。
对称循环应力的分类及特征，能绘出应力－时间曲线， 并能写出最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性。 的计算公式。
四、许用应力
许用应力＝材料极限应力/安全系数，即［σ］＝σlim／S 材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作应力 为静应力时，极限应力对于塑性材料为屈服极限；对于脆性材 料为强度极限，工作应力为变应力时，极限应力为其相应应力 循环状态的疲劳极限。 1. 静应力下的许用应力 对塑性材料取材料的屈服极限σs 作为极限应力
2. 失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件的车轮辐条 损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机器并未失效； 如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘骑了，即失效了
3. 失效形式与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不够造成断裂， 属于一种失效形式； 除此之外，如机床主轴的刚度不足，零件表面过度磨损及 其他各种破坏正常工作条件的因素，又如带传动打滑等 均属于失效形式。
1. 退火 2. 正火 3. 淬火 4. 回火 5. 调质 6. 表面处理
温
保温
度
加淬
热
火
临界温度
退火 调质 正火 回火
时间
图2 - 1 钢的热处理
三、钢的热处理
热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式 三个阶段，改变金属内部的组织结构来得到所需的使用要求。 1.退火 退火目的：降低硬度，便于切削加工；细化晶粒，改善组织， 提高 机械性能；消除内应力，防止钢件变形与开裂。 2.正火 正火目的：使钢件组织细化，提高强度和韧性；减少内应力， 改善 切削性能。 3.淬火 提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形 或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件 的韧性。
部就快速冷却，通常是喷水冷却。经过表面淬火的零件，表面具 有很高的硬度和耐磨性，而芯部仍然保持原来韧性比较好的组织。 表面淬火的材料一般用中碳钢或中碳合金钢。 淬硬层深度在2~6mm适用中小型零件以及大型重载荷受冲击等零件 6.化学热处理
渗碳是向零件表层渗入碳原子的过程，渗碳层厚度为0.4～1.6mm。 渗碳材料一般用低碳钢或低碳合金钢。零件经渗碳后表面为 高碳组织具有很高的硬度和耐磨性。而芯部为低碳组织，保持原有 的韧性。常用于处理汽车、拖拉机中的齿轮、凸轮等。
二、 强度条件 零件在外载荷作用下所产生的最大应力σ不超过零件的
许用应力 [σ]。其表达式为 工作应力 ≤许用应力，即σ≤［σ］
三、应力的种类（图9－1） 可分为静应力和变应力：不随时间变化的应力称为静应力； 随时间变化的应力称为变应力；具有周期性的变应力 称为循环变应力。 复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉动循环应力和
§9－6公差与配合
一、公差 机器是由零件装配而成的。大批量生产要求零件具有互换性。
这样在装配时可以不加选择和附加加工，就能达到预期的技术 要求。为了实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸、几何形状 和相互位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可 能做的绝对精确，但必须使尺寸介于两个允许的极限尺寸之间， 这两个极限尺寸之差称为公差。
铸铁是脆性材料，不能进行锻造，但它比较容易溶解，具有良好 的液态流动性，可以铸造成许多形状复杂的零件。另外它的切削性 能好，耐磨，成本低，应用非常广泛。常用有以下两种。 1.灰口铸铁 GB9439-88