毕业设计图纸中的零件材料选用指南.doc

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1、毕业设计图纸中的零件材料选用指南机械学院各专业的学生通过“机械制造根底”和“机械设计”等课程的学习已经从理论和有限的实例中了解了机械工程常用的以钢铁为主的各种材料，但是由于缺乏设计实践，并没有把握这些学问，特别是不会应用。反映在毕业设计中， 学生不会正确选用所设计零件的材料及其热处理，面对总装配图明细表的材料一栏感到茫然。这份“指南”是在总结了机械学院自 2022 年以来历届毕业设计中有关材料选用的相关问题之后，为学生供给的一份针对性较强、简要而又有用的参考资料，以期帮助学生提高毕业设计的质量。一、概述机械是由各种标准件和非标零件构成的，前者由专业工厂按国家标准大批生产，可以经由市场选购取得；

2、后者则由机械的设计人员绘制图纸，生产厂按图备料并加工制造。 进展机械设计时对标准件不存在材料选择问题，只要在总图的明细表中填写所选标准件的标准代号和规格即可，但要特别留意的是：有的标准件如螺栓和螺钉等螺纹连接件在同一规格下还分有不同的性能等级，在填写时也要一并标明(见附录 1)。全部的非标零件都必需在明细表材料栏内填写所选用的材料，在备注一栏中还应填入所要求的热处理。机械最根本的要求是工作牢靠和经济性好。工作牢靠取决于构成机械的零件有足够的强度、刚度、振动稳定性、牢靠性、耐磨性；经济性则主要取决于零件的材料本钱和加工费用。可见这二项根本要求都与材料亲热相关。就毕业设计而言，除非任务指定要对振动

3、稳定性和牢靠性进展设计，否则一般只须对零件的强度和刚度进展设计或校核，并在设计中选择恰当的热处理和零件的外表粗糙度以及润滑设计来保证零件的耐磨性。零件的刚度不仅取决于材料的弹性模量，也取决于零件的截面惯性矩。不同材料的弹性模量固然不同，但是就钢材而言，各种钢材的弹性模量差异很小，用高强度钢代替低强度钢对提高零件的刚度是没有作用的，从零件的构造外形上增大截面惯性矩是提高刚度的唯一途径。同学在这个问题上经常陷入误区。可用作机械零件的材料超过 500 种，其中以钢铁材料碳素钢，合金构造钢， 铸钢和铸铁等最为常用，这是由于这类材料性能好，品种多，价格低，市场供给充分。此外有色金属如铝合金，铜合金，以及

4、工程塑料等也在各种有特别要求的场合得到应用。以下将分三局部介绍在毕业设计中需要把握的，关于工程材料在机械零件中应用的有用技术学问。二、零件材料的选用原则1影响机械质量和本钱的因素很多，其中零件材料选用是否恰当是关键因素之一。选材时主要需考虑的是零件的工作条件、材料的工艺性能和机械的生产本钱，包括以下几方面：1、零件受力的状态和大小机械在运转时零件的受力状态可能是拉、压、弯、扭、剪切或它们的组合， 可能是静力、交变力或冲击力，不同材料的力学性能不同，选材的根本动身点是要满足零件的强度要求。这里要特别留意的是钢铁材料的热处理状态将极大地影响它的力学性能，比方 45 钢，其淬火后的屈服极限是正火状态

5、下的一倍，因此正确选择材料的热处理格外重要。假设资料没有直接给出同一种材料在不同热处理状态下的力学性能，同学可以查机械设计手册的“一般常用资料”这一章中“钢铁的硬度及强度换算“表。2、零件的工作环境温度，环境介质，润滑状况等这些零件的工作环境会影响材料的选择。例如在高温下工作的零件必需选用耐热钢，在腐蚀性环境中工作的，可以用奥氏体不锈钢，要求特别耐磨的可以承受硬质合金等。3、材料的工艺性能材料的工艺性能通常是指材料的可加工性和热处理性能。传统的材料的根本加工成型方法有铸造、压力加工、切削加工和焊接。不同的材料工艺性能不同，上述成型方法不肯定适合全部的材料，例如同学要特别留意，在设计焊接件时，一

6、般选用低碳钢较好，如 Q235A 和各种型材，由于低碳钢的焊接性能好，而中碳钢易产生焊接裂缝。又如要求热处理淬透的零件应选用合金钢，由于碳钢的淬透性要差一些。材料成型及把握工程专业的学生在设计模具时，会遇到有些模具的工作零件要承受电加工才能成型，这时还要考虑材料的电加工性能，例如承受电火花线切割周密加工凸、凹模，就要承受变形小的合金工具钢，如 Cr12、Cr12MoV、CrWMn 等，不要承受线切割后变形大的碳素工具钢，而这一点在以往的毕业设计中经常被同学所无视。塑料模的型腔大多承受电火花加工和外表抛光，这时就应考虑材料的电加工性能和抛光性能是否好。4、对零件尺寸和重量的限制有时零件处于特定机

7、械的特定部位，它们的大小和重量受到限定，假设零件受力较大会发生破坏时，则必需选用高强度材料；假设受力很小就可以承受铝合金等轻型合金以减轻重量例如在有些仪器和检测设备中。5、材料的经济性为了降低生产本钱，必需格外重视选材的经济性，能用铸铁的不要用铸钢， 能用碳素钢的不要用合金钢，能在市场上选购到的，不要自行设计制造，由于专业化批量生产的元件本钱是特别低的。以上几个方面要综合考虑。例如对受力大会发生破坏的零件，单从承载力量动身，必定选用价格较高的高强度合金钢，但使用合金钢就必需对材料进展相应的热处理，否则不能充分发挥合金钢的优良性能，这进一步提高了生产本钱；当重量和尺寸并不受限制时，还是应当优先选

8、用价格低廉的优质碳素钢。在很多状况下零件的不同部位对材料有不同的要求，例如齿轮在运转时要求齿面耐磨，而芯部要耐冲击，能传递较大的转矩，也就是说齿面要高硬度，而齿芯和轮体要韧。这时可以选用 45 钢，对材料进展调质处理淬火后高温回火以保证整体有足够的强度和韧性，然后对齿部实施外表高频淬火以取得齿面的高硬耐磨层。有些机械如食品包装机受力较小，但为防止污染，要求机件不锈蚀，机身重量轻，这就可以承受铝合金制作各种支架而不用铸铁。在满足强度要求的前提下，能用碳素钢的就不要用合金钢，能用低合金钢的就不要用高合金钢，正火处理能满足要求的就不要用调质处理，由于后者在处理过程中要消耗大量热能，随之提高了制造本钱

9、。三、毕业设计中常用的钢铁材料钢铁材料品种极多，常用的也不少，具体资料可以查阅机械设计手册或机械加工工艺手册；但对常用的材料可以给定一个较小而明确的范围供同学参考。1、一般碳素构造钢这类钢一般以轧制的钢板、型钢如圆钢、方钢、扁钢等供给市场，其牌号就是屈服强度值MPa。这类钢的淬透性很差，所以加工成零件后不进展任何热处理。假设零件只承受静负载，且是不重要的零件，例如拉杆、连杆、小型销、轴、螺钉、支架、机座等，可以选用这类钢材。这类钢具有极好的焊接性能，常用来制作焊接件。常用牌号：Q215A、Q235A、Q255A，以 Q235A 最为常用。2、优质碳素构造钢它在机械零件中应用最为广泛，当零件受力

10、较大，要承受变载荷或冲击载荷时，可以选用优质碳素构造钢。它在加工成零件后可以进展热处理，但相对合金钢而言淬透性差一些，淬火变形也大一些。以下钢材在毕业设计中可以优先选用：120 钢低碳钢主要用于制作小而韧性好的零件，如紧固件、轴套、杠杆、吊钩等，其可焊性和可锻性很好；对芯部要求坚韧，外表要求格外硬而耐磨的渗碳件如机床夹具中偏心夹紧机构中的偏心轮，冷冲模中的导柱、导套，则常用 20 钢。235 钢中碳钢主要用于制作中等负荷的零件，如拉杆、轴、套筒等，大多在正火状态和调质状态下使用。35 钢塑性较好，适合于热锻、冷拉等压力加工成形，其焊接性能尚好。345 钢中碳钢具有优良的综合力学性能和切削性能，

11、一般在正火状态下使用硬度 150180HBW，是用得最为广泛的优质碳素构造钢。凡受力较大，要求强度较高的传动件如轴，齿轮，蜗杆，丝杆等均可承受 45 钢，机床夹具夹紧机构中的很多零件如螺钉、螺母、螺栓、垫圈、压块、压板、手柄、夹紧套、活塞杆、杠杆等都可用 45 钢制造，冷冲模中的零件如固定板、卸料板、推件板、顶板、导料板、垫板、顶杆、推杆、卸料螺钉、挡料销、导料销、自制的上下模座以及塑料模中的主流道衬套、推杆、拉料杆、复位杆、推板、固定板、模座、侧滑块、侧滑块导轨等也可用 45 钢制造。中、小型重要零件多作调质淬火后高温回火 处理，硬度 220250HBW。45 钢的淬火硬度可达 4045HR

12、C，外表高频淬火硬度可达 4550HRC，但是它的焊接性能比较差，简洁发生裂纹，避开的方法是实施预热焊接，一般不用来制作焊接件。含碳量高于 0.6的高碳钢虽然强度较高，但韧性差，在一般机械设计中较少承受；其中有一类是用于制作弹簧的，称为弹簧钢，常用的有 65 钢制作小型弹簧和 65Mn 钢制作重要的大型弹簧。3、合金构造钢这种钢含有铬、锰、硅、钒等合金元素，品种很多，含合金元素小于5的 一般称为低合金钢，在机械类毕业设计中用的主要是低合金钢。在零件尺寸和重量受到限制、受力又比较大、工作条件较恶劣的场合，合金钢由于具有较高的强度以及淬透性好、淬火变形小、淬火硬度高等优良的热处理性能而得到应用。合

13、金钢的价格较高，应用时一般都要通过肯定的热处理以充分发挥其优良的力学性能和耐磨性，否则意义不大。例如 20CrMnTi 钢常用于高速、重载、有冲击的齿轮，其优点是对齿部作渗碳处理后的高频淬火，可以得到极高的齿面硬度5762HRC，而且齿部变形小，具有优良的齿面耐磨性，同时芯部韧性和强度又很好，可以耐冲击。价格较低，性能与 20CrMnTi 类似的钢材有 20MnVB，常用于类似场合。又如高负荷轴类和齿轮零件常用 40Cr 钢，调质处理后屈服强度是 45 钢的 2 倍，外表淬火硬度可达 5055HRC，可以供给很好的耐磨性。性能类似 40Cr， 但更耐冲击的钢材有 40MnVB。合金钢中有一种专

14、用的轴承钢，常用的有 GCr15，淬火硬度 5964HRC。可用于制作高速、耐磨的滚动体，常用于制造滚珠丝杆、滚珠、滚柱、滚动导轨； 由于其性能优良，也常用于制造外形简单的中小型模具的工作零件。4、工、模具用钢材工、模具用钢的特点是淬火后硬度高、耐磨性好，有碳素工具钢和合金工具钢二大类，后者有更好的淬透性和耐磨性。1） T10A、T12A碳素工具钢T10A 是碳素工具钢中性能较好、应用最广的代表性钢种。其价格较廉价， 加工性能好，淬火后可以获得较高的硬度可达5662HRC和肯定的耐磨性， 但其淬透性差，淬火变形大，与合金钢相比，制造的模具零件使用寿命低，因此不适宜制作大中型和简单的模具零件。比

15、较适用于制作尺寸较小、外形简洁、负荷较轻、生产批量不大的模具零件如冷冲模中的压边圈、尺寸不大的圆凸模、侧刃、废料切刀、导正销、斜楔、滑块、顶杆、非标准的导柱、导套及塑料模中的型芯、镶块、斜销、楔紧块等。T12A 淬火后的硬度可达 6265HRC，有较高的耐磨性和硬度，但韧性不够好，可以用来制造夹具的钻套、定位块、对刀块等，也可用于制造外形简洁的轻载模具的工作零件。2） Cr12、Cr12MOV高合金工具钢淬透性、耐磨性好，热处理变形小，Cr12 淬火硬度可达 6265HRC，Cr12MOV淬火硬度可达 5563HRC，后者韧性要好一些。它们被广泛地用来制造承受负荷大、生产批量大、外形简单的模具

16、工作零件。Cr12MOV 由于性能优良，不仅在冷冲模中应用很广，还作为淬硬型塑料模具用钢而被广泛使用，尤其是成型以玻璃纤维作添加剂的增加塑料制品的模具材料。3） CrWMn、9Mn2V低合金工具钢淬透性较好、比较耐磨，适用于制作中、小批量外形较简单的模具工作零件， 使用寿命长，CrWMn 是国内传统使用最广的中档模具钢，9Mn2V 是适合我国资源的钢种，其耐磨性略低于 CrWMn。43Cr2MoP20、4CrMnNiMo718预硬型塑料模具用钢3Cr2Mo 与美国通用型塑料模具钢P20是同类钢，抛光性好，淬透性也好，供货状态的预硬硬度为 3036 HRC，便于切削加工，也可进展镀铬、渗氮处理以

17、增加外表耐磨性。该钢主要用于中、小型或大型的简单、周密塑料模，因便于加工可缩短模具的交货期或作产品的试制模具而被广泛使用。4CrMnNiMo718是目前应用最广的塑料模具钢的典型钢号，是P20 的改进型，可用于制造高抛光度及高要求的的塑料注射模，通常被称作高级塑料模具钢，用 718 钢所制模具适合于成型 PA、POM、PS、PE、PP、ABS 等塑料制品。5Cr16Ni4Cu3NbPCR耐腐蚀塑料模具用钢该钢为空冷淬火钢，属于不锈钢类型，空冷淬硬可达 4253HRC，用 PCR钢所制模具适合于成型聚氯乙烯或氟塑料及阻燃 ABS 塑料制品。5、铸铁铸铁有多种，在机械中应用最多的是灰口铸铁。其优点

18、是流淌性好，很简洁铸造成型，能制造简单外形的机件；由于金属组织中含有片状石墨，因此减振性良好，而且对应力集中不敏感。灰口铸铁的抗拉强度较低，但抗压强度与钢近似， 因此主要用来制造机身、支架、机座、箱体等以受压为主、外形简单的机械零件。也广泛用于制造模具的模座和大中型的夹具体。灰铸铁不能焊接，因此不能用来制造焊接件，但允许焊补修复铸铁件的外表缺陷。以重量计，一台机械大约有50是铸铁件。毕业设计中常用的灰铸铁牌号有：1HT150抗拉强度 150MPa属于低牌号铸铁，主要用于制作受力小的盘、盖、轮及中型夹具的夹具体等零件。1)HT200抗拉强度 200MPa属于高牌号铸铁，常用于制作受力较大的重要零

19、件，如床身、箱体、泵体、阀体及大型或简单夹具的夹具体、模具的模座等零件。6、铸钢外形简单，尺寸较大，承受大负荷的零件可以承受铸钢。由于钢水的流淌性差，铸钢的成型性低于灰铸铁，因不行避开的金属组织缺陷，其材料强度低于同种轧制钢材。毕业设计中铸钢应用得很少，仅在负载很大的重型机械中作机座， 机架，箱体等零件，或在大型、重载模具中作模座。设计中可选用 ZG230-450屈服强度 230MPa，抗拉强度 450MPa，相当于 25 钢，焊接性能较好和ZG310-570相当于 45 钢，用于重负荷处。四 毕业设计中应用的非铁工程材料除了大量使用钢铁材料外，机械中还会用到铜、铝、工程塑料等材料，由于这些材

20、料的特别性能，它们往往起着不行替代的作用。1、铜合金纯铜的强度和硬度太低，不能用于机械零件中，机械设计广泛使用的是各种铜合金。1) 黄铜黄铜是铜和锌的合金，有肯定的强度和抗腐蚀性，但在毕业设计中很少选用。2) 青铜工业上常用的青铜是铜和锡的合金称锡青铜或铜和铝铁的合金称铝青铜，毕业设计中以锡青铜最为常用。锡青铜的强度低于黄铜，但有优良的耐磨性和耐蚀性，多用于机械中的滑动轴承、轴瓦、衬套和蜗轮。常用的牌号有：a） ZCuSn5Pb5Zn5代号 555，多用于中负荷、中速下工作的滑动轴承和蜗轮；b） ZCuSn10P1代号 101，用于高负荷20MPa 以下、高滑动速度8m/s以下工作的滑动轴承和

21、蜗轮。2、铝合金有些机械受力很小，但要求机体重量轻，抗腐蚀，例如有些测量仪器，食品或药品包装机，这时可承受铸造铝合金作各种外形简单的机件，如机身、机架等。铸铝中有一些强度相当高，也可以用来制造受力不太大的箱体。铸造铝合金有多种，其中铝硅合金流淌性最好，热裂倾向小，又有足够的强度，适用于作外形简单的薄壁件。常用的铝硅合金牌号有 ZAlSi12代号 ZL102和 ZAlSi9Mg代号 ZL104，后者强度高于前者。3、工程塑料工程塑料具有一些特别的性能，其应用日益广泛。在毕业设计中应用的工程塑料仅推举尼龙和酚醛层压塑料二种，它们均可以进展准确的切削加工。1） 尼龙有良好的自润滑性和耐磨性，可以用作

22、少油或无油润滑的小型低速滑动轴承轴套，以及小负荷无噪声的传动齿轮，例如仪器仪表中的传动齿轮。常用的牌号有尼龙 1010用于较小负荷和 MC 尼龙用于较大负荷。2） 酚醛层压布板材和棒材这种材料强度高于尼龙，力学性能较好，同样可用作少油、无油润滑的低速轴套可以用棒材加工以及受力较小的传动齿轮必需用板材加工。PFCC4 是常用的牌号。以上介绍的仅是毕业设计中经常用的材料，为便于同学参考，尽可能地做到简要。实际上在机械设计和模具设计中可供选用的材料格外多，要得到具体、全面的信息，同学可参阅机械设计手册中“工程材料”这一章。附录 1装配图中螺纹连接件的标注机械中最常用的连接件是螺纹连接件，如各种螺钉，

23、螺栓，螺柱和螺母，每一种都有指定的名称和标准号，这是同学熟知的。但是在不同的应用场合，对螺纹连接件的连接强度有不同的要求，例如一个仅仅起遮盖作用的箱盖，对连接螺钉是没有什么受力要求的；但是对高压油缸的缸盖，因其受到强大的油压力作用， 对连接螺钉就有承受拉力的强度要求了。国家标准对连接件规定了代表连接强度的性能等级，不同等级的连接件用不同的钢材制造，这是从事毕业设计的同学容易无视的。以下几点同学必需了解：1) 螺钉、螺栓和螺柱连接的力学性能分为以下几个等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、10.9、12.9；螺母的等级有 7 个： 4、5、6、8、9、10、12。2) 相

24、应各等级的螺纹连接件制造材料从 Q215A、15、25、35，始终到 40Cr、15MnVB，等级越高，材料的力学性能越好；事实上小数点前的数字是材料抗拉强度单位为 MPa的 1/100。3) 与某性能等级的螺栓相配的螺母必需具有规定的等级，否则达不到要求的连接强度。例如 5.6 级的螺栓要配 5 级螺母，10.9 级的螺栓要配 10 级螺母具体可查阅机械设计手册。4) 每一种螺纹连接件只有限定的几共性能等级。例如 C 级六角头螺栓有3.6、4.6、4.8 三级；机床、机床夹具、模具最常用的内六角圆柱头螺钉则有连接强度较高的 8.8、10.9、12.9 三级。5) 螺纹连接件还可以作防止锈蚀的氧化和镀锌钝化外表处理，如设计中有这方面的要求，可以在备注栏内说明。6) 螺纹连接件的力学性能等级实际对应着对制造材料的要求，所以等级号可以在装配图明细表的材料栏内填注，也可以在备注栏内与外表处理要求一起填注。