2022-04-06 09:54:22

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“机械制造基础”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，并没有掌握这些知识，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2009年以来历届毕业设计中有关材料选用的相关问题之后，为学生提供的一份针对性较强、简要而又实用的参考资料，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，可以经由市场采购取得；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。 进行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，但要特别注意的是：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)。所有的非标零件都必须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。

机械最基本的要求是工作可靠和经济性好。工作可靠取决于构成机械的零件有足够的强度、刚度、振动稳定性、可靠性、耐磨性；经济性则主要取决于零件的材料成本和加工费用。可见这二项基本要求都与材料密切相关。就毕业设计而言，除非任务指定要对振动稳定性和可靠性进行设计，否则一般只须对零件的强度和刚度进行设计或校核，并在设计中选择恰当的热处理和零件的表面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当然不同，但是就钢材而言，各种钢材的弹性模量差别很小，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，从零件的结构形状上增大截面惯性矩是提高刚度的唯一途径。同学在这个问题上常常陷入误区。

可用作机械零件的材料超过500种，其中以钢铁材料（碳素钢，合金结构钢，铸钢和铸铁等）最为常用，这是因为这类材料性能好，品种多，价格低，市场供应充分。此外有色金属如铝合金，铜合金，以及工程塑料等也在各种有特殊要求的场合得到应用。以下将分三部分介绍在毕业设计中需要掌握的，关于工程材料在机械零件中应用的实用技术知识。

二、零件材料的选用原则

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影响机械质量和成本的因素很多，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成本，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，选材的基本出发点是要满足零件的强度要求。这里要特别注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，比如45钢，其淬火后的屈服极限是正火状态下的一倍，因此正确选择材料的热处理非常重要。如果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，润滑情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须选用耐热钢，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采用硬质合金等。

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。

传统的材料的基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，上述成型方法不一定适合所有的材料，例如同学要特别注意，在设计焊接件时，一般选用低碳钢较好，如Q235A和各种型材，因为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，因为碳钢的淬透性要差一些。 材料成型及控制工程专业的学生在设计模具时，会碰到有些模具的工作零 件要采用电加工才能成型，这时还要考虑材料的电加工性能，例如采用电火花线切割精密加工凸、凹模，就要采用变形小的合金工具钢，如cr12、cr12MoV、crWMn等，不要采用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常常被同学所忽视。塑料模的型腔大多采用电火花加工和表面抛光，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械的特定部位，它们的大小和重量受到限定，如果零件 受力较大会发生破坏时，则必须选用高强度材料；如果受力很小就可以采用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

为了降低生产成本，必须十分重视选材的经济性，能用铸铁的不要用铸钢， 能用碳素钢的不要用合金钢，能在市场上采购到的，不要自行设计制造，因为专

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业化批量生产的元件成本是特别低的。

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，单从承载能力 出发，必然选用价格较高的高强度合金钢，但使用合金钢就必须对材料进行相应的热处理，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成本；当重量和尺寸并不受限制时，还是应该优先选用价格低廉的优质碳素钢。在很多情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，对材料进行调质处理（淬火后高温回火）以保证整体有足够的强度和韧性，然后对齿部实施表面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，这就可以采用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，因为后者在处理过程中要消耗大量热能，随之提高了制造成本。

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，详细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、 普通碳素结构钢

这类钢一般以轧制的钢板、型钢（如圆钢、方钢、扁钢等）供应市场，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行任何热处理。若零件只承受静负载，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、 优质碳素结构钢

它在机械零件中应用最为广泛，当零件受力较大，要承受变载荷或冲击载荷时，可以选用优质碳素结构钢。它在加工成零件后可以进行热处理，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：

1）20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，表面要求非常硬而耐磨的渗碳件（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。

2）35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

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能尚好。

3）45钢（中碳钢）

具有优良的综合力学性能和切削性能，一般在正火状态下使用（硬度150 ～180HBW），是用得最为广泛的优质碳素结构钢。凡受力较大，要求强度较高的传动件如轴，齿轮，蜗杆，丝杆等均可采用45钢，机床夹具夹紧机构中的许多零件如螺钉、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220～250HBW。45钢的淬火硬度可达40～45HRc，表面高频淬火硬度可达45～50HRc，但是它的焊接性能比较差，容易发生裂纹，避免的办法是实施预热焊接，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采用；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、 合金结构钢

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。合金钢的价格较高，应用时一般都要通过一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（57～62HRc），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，表面淬火硬度可达50～55HRc，可以提供很好的耐磨性。性能类似40cr，但更耐冲击的钢材有40MnVB。

合金钢中有一种专用的轴承钢，常用的有Gcr15，淬火硬度59～64HRc。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，也常用于制造形状复杂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

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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。其价格较便宜，加工性能好，淬火后可以获得较高的硬度（可达56～62HRc）和一定的耐磨性，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复杂的模具零件。比较适用于制作尺寸较小、形状简单、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62～65HRc，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，也可用于制造形状简单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62～65HRc，cr12MoV 淬火硬度可达55～63HRc，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、形状复杂的模具工作零件。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强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、小批量形状较复杂的模具工作零件， 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。

4）3cr2Mo（P20）、4crMnniMo（718）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30～36 HRc，便于切削加工，也可进行镀铬、渗氮处理以增加表面耐磨性。该钢主要用于中、小型或大型的复杂、精密塑料模，因便于加工可缩短模具的交货期或作新产品的试制模具而被广泛使用。

4crMnniMo（718）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。

5）cr16ni4cu3nb（PcR）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42～53HRc，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。其优点是流动性好，很容易

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铸造成型，能制造复杂形状的机件；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、形状复杂的机械零件。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表面缺陷。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： 1）HT150（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件，如床身、箱体、泵体、阀体及大型或复杂夹具的夹具体、模具的模座等零件。

6、 铸钢

形状复杂，尺寸较大，承受大负荷的零件可以采用铸钢。由于钢水的流动性差，铸钢的成型性低于灰铸铁，因不可避免的金属组织缺陷，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

于这些材料的特殊性能，它们往往起着不可替代的作用。

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，有一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5－5－5），多用于中负荷、中速下工作的滑动轴承和蜗轮；

b）ZcuSn10P1（代号10－1），用于高负荷（20MPa以下）、高滑动速度（8m/s

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以下）工作的滑动轴承和蜗轮。

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，这时可采用铸造铝合金作各种形状复杂的机件，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，其中铝硅合金流动性最好，热裂倾向小，又有足够的强度，适用于作形状复杂的薄壁件。

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殊的性能，其应用日益广泛。在毕业设计中应用的工程 塑料仅推荐尼龙和酚醛层压塑料二种，它们均可以进行精确的切削加工。

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（必须用板材加工）。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非常多，要得到详细、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，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

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易忽视的。以下几点同学必须了解：

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) 相应各等级的螺纹连接件制造材料从Q215A、15、25、35，一直到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须具有规定的等级，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（详细可查阅机械设计手册）。

4) 每一种螺纹连接件只有限定的几个性能等级。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表面处理，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表面处理要求一起填注。

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