《机械基础》课件（上）

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日连接学习目标了解本课程的任务和学习要求。了解机械的组成。了解机械零件的材料、结构和承载能力。了解摩擦、磨损和润滑的基本要求。0.1本课程的学习任务和要求本课程的学习任务本课程是一门重要的机械类的专业基础课程，其学习任务如下：1）使学生掌握必备的机械基本知识和基本技能，懂得机械工作原理，了解机械工程材料的性能，正确操作和维护机械设备。2）培养学生分析问题和解决问题的能力，使其形成良好的学习习惯，具备继续学习专业技术知识的能力。3）对学生进行职业意识培养和职业道德教育，使其形成严谨、敬业的工作作风，为今后解决生产实际问题和职业生涯的发展奠定基础。本课程的学习要求通过本课程的学习，应使学生达到如下基本要求：1）掌握物体的受力分析与平衡条件，掌握杆件基本变形和应力分析计算的基本概念和方法。2）了解机械中常用的工程材料和热处理的基本知识。3）掌握机械传动中的常用机构和主要通用零部件的类型、工作原理、特点、应用和简单计算，并具有运用和分析简单传动装置的能力。0.2零件、机构、机器概述零件、机构和机器1．机器图0-1所示为内燃机工作原理图，图中1为内燃机缸体，2为活塞，当气缸中的油气混合物被火花塞点燃后，爆炸膨胀的气体推动活塞向下移动，通过与活塞和曲轴相连接的连杆3，使曲轴4转动，再通过齿轮5和6带动凸轮轴转动，凸轮轴上的凸轮7和8推动进气阀杆9和排气阀杆10，使两个阀门按预定规律打开和关闭，从而完成进气和排气任务。零件、机构和机器2．机构机构是人工的物体组合，各部分之间具有一定的相对运动。器与机构的区别是：机器能完成有用的机械功或转换机械能，而机构只是完成传递运动、力或改变运动形式的实体组合。机器包含机构，机构是机器的主要组成部分。一部机器可以由一个机构或多个机构组成。零件、机构和机器3．机械机械是机器和机构的总称。4．构件和零件构件是运动的单元，零件是制造的单元，零件组成构件。构件是组成机构的各个相对运动的实体。机器的组成部分机器的功能需要多种机构配合才能完成，按各部分实体的不同功能，一台完整的机器由以下四个部分组成。1．原动机部分原动机部分也称动力装置，其作用是把其他形式的能转换成机械能，以驱动机器各部分的运动、工作，常用的有电动机和内燃机等。机器的组成部分2．执行部分执行部分也称工作部分，是机器中直接完成具体工作任务的部分，如汽车的车轮、缝纫机的机头（图0-2a）等。3．传动部分传动部分是指将动力部分的动力和运动传递给执行部分的中间环节，如齿轮减速器、连杆机构（如图0-2b所示，1、2、3、4组成的平面连杆机构）和带轮机构等。机器的组成部分4．操纵或控制部分操纵或控制部分显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作，可采用机械、电子、电气、光波等。简单的机器一般由上述的前三部分组成，有的甚至只有原动机和执行部分，如水泵、排风扇等。但如数控机床、加工中心等机器，控制部分（包括检测）的地位越来越重要。0.3机械零件的材料及结构工艺性零件的常用材料1．钢碳的质量分数在0.02%～2.11%之间的铁碳合金称为钢。钢具有较高的强度、韧性和塑性；钢制零件可以采用铸造、锻造、焊接、冲压、切削等方法加工，还可以通过热处理方法改善性能。钢的种类繁多，是应用最广的金属材料。图0-3所示为轴承钢制成的钻床主轴轴承。零件的常用材料2．铸铁碳的质量分数在2.11%以上的铁碳合金称为铸铁。铸铁具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性，但强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造。图0-4所示为灰铸铁制成的汽车曲轴。零件的常用材料3．铜合金铜合金的优点是减摩性和耐蚀性好，机械零件中常用铸造铜合金制作轴瓦、阀体、管接头等耐蚀零件及蜗轮、轴瓦、螺母等耐磨零件。图0-5所示为锻压铜合金制成的压差控制阀。零件的常用材料4．铸造锡基和铅基轴承合金铸造锡基和铅基轴承合金主要含锡、铅、锑等成分，其优点是减摩性、抗烧伤性、磨合性、耐蚀性、韧性和导热性均良好，用于制作滑动轴承的减摩层。如图0-6所示，滑动轴承内侧的轴承衬即由铸造锡基轴承合金制成。零件的常用材料5．工程塑料工程塑料分热塑性塑料（如聚乙烯、有机玻璃、尼龙等）和热固性塑料（如酚醛塑料、氨基塑料等）。它用于制作一般结构零件、减摩和耐磨零件、传动件、耐蚀件、绝缘件、密封件、透明件等。图0-7所示为工程塑料制成的铰链。零件的常用材料6．橡胶橡胶有普通橡胶和特种橡胶，用于制作密封件、减振件、传动带、输送带、轮胎等。图0-8所示为橡胶制成的门窗密封条。零件的结构工艺性机械零件应当加工方便、节省材料、节约工时、降低成本、保证质量、满足结构工艺要求。影响机械零件结构工艺性的因素很多，涉及材料选择、毛坯准备、机械加工、装配维修等各方面。0.4机械零件的摩擦、磨损和润滑摩擦相互摩擦的两个物体称为摩擦副。根据摩擦副的运动状态可分为静摩擦和动摩擦；根据摩擦副的运动形式，可分为滑动摩擦和滚动摩擦；根据摩擦副的表面润滑状态，又可分为干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。如图0-9所示。摩擦1．干摩擦摩擦面不加润滑剂时的摩擦称为干摩擦，如图0-9a所示。干摩擦时，摩擦面直接接触，摩擦因数大，摩擦力大，磨损和发热严重，除利用摩擦力工作的场合之外，应尽量避免干摩擦。摩擦2．边界摩擦在摩擦副间施加润滑剂后，使摩擦副的表面吸附一层极薄的润滑剂膜，这种摩擦状态称为边界摩擦，如图0-9b所示。边界摩擦的润滑剂膜强度低，容易破裂，致使摩擦副部分表面直接接触，从而产生磨损，但摩擦和磨损状况优于干摩擦。摩擦3．液体摩擦在摩擦副间施加润滑剂后，摩擦副的表面被一层具有一定压力和厚度的润滑膜完全隔开时的摩擦，称为液体摩擦，如图0-9c所示。液体摩擦中摩擦副的表面不直接接触，摩擦因数很小，理论上不产生磨损，是一种理想的摩擦状态。摩擦4．混合摩擦混合摩擦状态是干摩擦、边界摩擦、流体摩擦的混合状态。其摩擦性质主要取决于边界摩擦状态，如图0-9d所示。混合摩擦中摩擦表面仍有少量直接接触，大部分处于液体摩擦，故摩擦和磨损状况优于边界摩擦，但比液体摩擦差。磨损使摩擦表面的物质不断损失的现象称为磨损。除非采取特殊措施（如静压润滑，电、磁悬浮等），否则磨损很难避免。但在规定年限内，只要磨损量不超过允许值，就认为是正常磨损。磨损并非都有害，磨合、研磨都是有益的磨损。1．机械零件磨损的一般过程机械零件的磨损发生在零件的开始使用直到报废的整个工作过程中。这个过程中每一个阶段的磨损率都是不同的。（1）磨合磨损阶段指在机械使用的初期，机械零件的磨损过程。该过程的磨损改善了机械零件相互接触的表面的适应性和表面状态，使磨损率逐渐下降。（2）稳定磨损阶段指机械零件的正常工作阶段的磨损，该阶段的磨损率基本保持不变。机械零件的磨损率越低，其使用寿命就越长。（3）剧烈磨损阶段指磨损率急剧上升的阶段。机械零件在该阶段的工作条件迅速恶化，并最终导致机械零件的失效。磨损2．机械零件磨损的主要类型按破坏机理分，磨损主要有四种基本类型：黏着磨损、表面疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。磨损常以复合形式出现。（1）黏着磨损有油或无油的表面，都需要切向力使吸附膜和脏污膜破裂后，由新表面直接接触才能发生黏着。（2）表面疲劳磨损受交变接触应力的摩擦副，在其表面上将形成疲劳点蚀，有小块剥落，这种现象称为表面疲劳磨损。磨损（3）磨粒磨损由处于摩擦表面之间的硬质颗粒或摩擦硬质突出物在摩擦过程中引起的摩擦表面材料的脱落现象称为磨粒磨损。这种磨损的磨损率的大小与摩擦材料的硬度和硬质颗粒的硬度有关。磨粒磨损占全部磨损的50%。图0-12所示为齿轮表面的严重磨粒磨损。磨损（4）腐蚀磨损在两接触表面的摩擦过程中，材料表面与周围环境介质之间发生的化学或电化学反应现象称为腐蚀磨损。腐蚀磨损与摩擦表面周围介质的性质和相对滑动速度的大小有关。图0-13所示为腐蚀磨损的管道端头。润滑润滑是减小摩擦、减少磨损的有效措施之一。通过润滑，还可以达到降低温升、防止锈蚀、缓和冲击、减小振动、清除磨屑或形成密封等目的。1．流体润滑“面接触”的两摩擦表面被一层有足够厚度、足够压力的连续油膜完全隔开的状态，称为流体润滑。如果油的压力由油泵提供，称为流体静力润滑；如果油的压力是在满足若干条件下由润滑油自身内部产生，称为流体动力润滑。2．弹性流体动力润滑对于“点接触”或“线接触”的摩擦副，如齿轮副、凸轮副、滚动轴承等，接触部位面积小，单位压力很高，必须考虑流体动力效应、润滑油的压力、黏度特性和接触体弹性变形三者的联合作用，能够将点、线接触的高应力摩擦副的表面完全分隔开来，形成弹性流体动力润滑。润滑3．边界润滑两个接触体的表面并未处处被润滑油膜隔开，存在着明显的微凸体接触的状态，称为边界润滑，摩擦因数与润滑油的黏度无关。4．混合润滑混合润滑是介于边界润滑和弹性流体动力润滑之间的状态。目标学习目标理解力的概念与基本性质。了解力矩、力偶、力向一点平移的结果。了解约束、约束力和力系。掌握杆件的受力图的作图方法。学会分析平面力系。学会建立平衡方程并计算未知力。概述力学原理被广泛地运用在生活中，可以说是和人们日常生活如影随形、息息相关。当人们在走路过程中，是利用摩擦力的反作用原理使得人们可以前行的；而开门时是利用力矩的原理；其他如扳手、剪刀、开瓶器等的应用都是和力学原理相关联的生活实例。工程中将物体称为构件或杆件。杆件的静力分析是研究物体在力系作用下的平衡规律，建立各种力系的静力平衡条件。杆件结构也经常应用于建筑设计中，如图1-1所示。1.1力的概念与基本性质力的概念与基本性质当物体受到外力作用时会发生什么情况呢？一般有三种可能：1）物体保持平衡，即保持静止或作匀速直线运动。2）物体改变运动状态，即由静止变为运动，或由运动变为静止；由慢变快，或由快变慢；或改变运动方向。3）物体产生变形，甚至发生破坏。力的基本知识1．力的定义及力的三要素力是使物体的运动状态发生变化或使物体产生变形的物体之间的相互机械作用。力对物体的效应取决于力的大小、方向和作用点，称为力的三要素。三要素缺一不可，若其中任何一项改变，则力的效应必会改变。2．力的图示法力是一个既有大小又有方向的矢量。力矢量用带箭头的有方向线段AB表示，如图1-3所示。3．力的单位在国际单位制中，力的单位用N（牛）或kN（千牛）表示。两个相关概念1．刚体刚体是指在外力作用下几何尺寸和形状都不会发生变化的物体。事实上任何物体在外力作用下都会发生或多或少、或大或小的变形。在讨论物体受力分析及平衡问题时，这些变形是次要的，可以忽略不计，将物体看成是刚体。刚体在现实中是不存在的，是理想化的模型。在静力学中，所研究的物体只限于刚体。两个相关概念2．平衡平衡是指物体在力或力系的作用下相对于惯性参考系保持静止或匀速直线运动状态。平衡是物体机械运动的一种特殊形式，作用在物体上的力系，只有满足一定的条件时，才会使物体处于平衡。满足平衡条件的力系称为平衡力系。如图1-4所示，当读书时，坐姿未落于重心而使人与椅子处于不平衡状态而倾倒。力的基本性质1．公理一：作用力与反作用力公理一个物体对另一个物体有作用力时，另一物体对该物体必有一个反作用力，这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，且分别作用在两个物体上。如图1-5所示，从船上跳上岸的人给船施加作用力，船也对人施加反作用力使他跳上岸。力的基本性质2．公理二：二力平衡公理作用于某刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是这两个力的大小相等、反向相反，且作用在同一直线上，如图1-6所示。力的基本性质2．公理二：二力平衡公理凡只在两个点受力，且不计自重的平衡物体称为二力构件或二力杆。由二力平衡公理可知，无论二力杆是直的还是弯的，其受力必沿两受力点的连线且等值反向。如图1-7中的AB杆就是二力杆。力的基本性质3．公理三：加减平衡力系公理作用于物体上的一群力称为力系。如果物体在力系作用下处于平衡状态，这样的力系就称为平衡力系。加减平衡力系公理：在作用于刚体上的任一力系中，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。应用加减平衡力系公理，可得力的可传递性推论：作用于刚体上力的作用点，可沿力的作用线滑移到任意位置，而不改变该力所产生的作用效果，这种现象称为力的可传递性，如图1-8所示。力的基本性质4．公理四：力的平行四边形公理作用于物体上同一点的两个力，可以合成一个合力。合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由这两个为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。例如，图1-9中的F1、F2两力的合力为F12。1.2力矩、力偶与力的平移力  矩物体受力后所产生的作用效应，除位移效应外，还可以使物体绕一固定点或固定轴产生转动效应，称为力矩。力矩是用来判断物体转动的难易程度的，力矩越大，则物体转动越容易；反之，力矩越小，则物体转动越困难。力  矩如图1-11所示，Y轴与平面垂直相交于O点，O点称为力矩中心（简称距心），若在平面上的力F作用在P点，力矩中心到力F作用线的垂直距离为d，d称为力臂。那么力矩的大小等于作用力与力臂的乘积，符号MO（F）表示力F对O点的力矩大小，用公式表示为式中正负号表示两种不同的转向，规定使物体产生逆时针旋转的力矩为正值，反之为负值。力矩的单位是N·m（牛·米）或kN·m（千牛·米）。力  偶力学中，把作用在同一物体上大小相等、方向相反、作用线平行的一对平行力称为力偶，记作（F1，F2），力偶中两个力的作用线间的距离d称为力偶臂，两个力所在的平面称为力偶的作用面，如图1-13所示。力  偶力学中，把作用在同一物体上大小相等、方向相反、作用线平行的一对平行力称为力偶，记作（F1，F2），力偶中两个力的作用线间的距离d称为力偶臂，两个力所在的平面称为力偶的作用面，如图1-13所示。力  偶根据力矩的原理，力偶对平面上任意一点所产生的力矩，等于此两平行力对该点力矩的代数和。在图1-13中，以平面上任意点O为矩心，则力偶对O点所产生的力矩大小为若以M或m（F1，F2）表示力偶矩，所得公式使物体产生逆时针旋转的力偶矩为正值，反之为负值。力偶矩的单位是N·m（牛·米）或kN·m（千牛·米）。力  偶力偶应用于日常生活或机械操作的实例有T形扳手（图1-14a）、汽车转向盘（图1-14b）、攻螺纹丝锥（图1-14c）、麻花钻两主切削刃（图1-14d）等。力的平移定理力作用于刚体的重心会使刚体移动，但如果不是作用于刚体重心，不仅会使刚体移动，还会使刚体转动，此时可以平移到刚体上任意一点，但必须附加一个力偶才能与原来的力等效，附加力偶的力偶矩等于原来的力对新作用点的力矩，此为力的平移定理，如图1-16所示。1.3约束、约束反力和力系约束、约束反力物体受外力作用而仍能保持平衡，是由于该物体受到其他物体限制所致。对某一物体的运动起限制作用的物体称为约束。约束作用于被约束物体上的力称为约束反力。约束反力的方向总是与该约束所限制的运动方向相反。如图1-18所示，小球受地面约束，不能向下运动，地面给小球的约束反力向上。约束、约束反力常见约束类型及其约束反力有下列几种。1．柔性约束绳索、链条、胶带等柔性物体形成的约束，称为柔性约束。柔性约束对物体的约束力是沿着柔性体的中心线背离约束物体的拉力。如图1-19中绳索张力T。约束、约束反力2．光滑面约束两物体相互接触，若接触表面为非常光滑的刚性表面，摩擦力很小可忽略不计，即为光滑面约束。光滑面约束力的方向是通过接触点并沿着公法线，指向被约束物体，如图1-20所示。约束、约束反力3．铰链约束两个以上构件通过圆柱面接触，构件只能绕销轴回转中心相对转动，不能发生相对移动而构成约束，称为铰链约束。两个构件之一与地面或支架固定，称为固定铰链约束，固定铰链约束的结构及受力简图如图1-21所示。约束、约束反力3．铰链约束两个构件与地面或支架的连接是活动的，称为活动铰链约束，其结构与受力简图如图1-22所示。约束、约束反力4．固定端约束物体的一部分固嵌于另一物体所构成的约束，称为固定端约束，其结构与受力简图如图1-23所示。车床上的刀具、卡盘上的工件等都属于这类约束。力  系物体或构件上有多个力（一般指两个以上的力）作用，则这些力组成一个力系。若这些力作用在同一平面内，则称之为平面力系。1．平面汇交力系在平面力系中，若各个力的作用线全部汇于一点，称之为平面汇交力系，如图1-25所示。水平梁AB受已知力F作用，可简化成平面汇交力系，如图1-26所示。力  系2．平面任意力系一般情况下，平面力系的作用线是任意分布的，如图1-27所示，称为平面任意力系。某杆件所受的平面任意力系如图1-28所示。1.4平面力系的平衡方程及应用平面力系的平衡方程1．平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系合成一合力，若平面汇交力系的合力为零，则该力系处于平衡状态，即该力系是平衡力系。平面汇交力系的平衡条件是当平面汇交力系平衡时，力系中所有的力在x、y两坐标轴上的投影的代数和为零，即平面力系的平衡方程2．平面任意力系的平衡方程平面任意力系的平衡条件是平面任意力系的平衡方程可以描述为：力系中各力在坐标轴上投影的代数和等于零，且各力对平面内任意一点力矩的代数和等于零。功率与效率1．功率单位时间所做的功称为功率，功率用P表示，则功率的单位为W（瓦），工程中以kW（千瓦）为常用单位。功率是机器的主要技术指标之一，它代表机器的工作能力，是正确选择和使用机器的重要依据。功率与效率对于直线运动P=Fv（1-6）式中F—外载荷（N），或称为有效作用力；v—速度（m/s）。由式（1-6）可知，当功率一定时，力和速度成反比。因此在金属切削加工过程中，由于粗加工的背吃刀量大，常选用较低的转速，以获得较大的切削力。功率与效率对于回转运动式中P—圆轴传递的功率（kW）；n—圆轴的转速（r/min）；M—作用在圆轴上的外力偶矩（N·m），即转矩。由式（1-7）可知，当功率一定时，转矩和转速成反比。功率与效率2．机械效率机器运转需要有电动机或发动机提供输入功率。输入功率的一部分用于克服有用阻力以完成指定的工作，称为有用功率。例如，机床加工时要克服切削力的功率，汽车行驶要克服来自地面和空气阻力的功率等。同时，输入功率中的另一部分还要克服机械传动中的无用阻力，称为无用功率。机器工作时，输出的有用功率与输入功率之比，称为效率。效率用η表示，实际情况中η＜1。式中P—输入功率（kW）；P1—有用功率（kW）；P2—无用功率（kW）。目标学习目标理解直杆轴向拉伸与压缩的概念。了解内力、应力、变形、应变的概念。了解直杆轴向拉伸和压缩时的强度计算。了解低碳钢与铸铁拉伸与压缩时的力学性能。了解直杆轴向拉伸与压缩时的强度计算方法。理解连接件的剪切与挤压的概念。会判断连接件的受剪面与受挤面。理解圆轴扭转的概念。理解直梁弯曲的概念。概述任何固体材料在受力后，其形状和尺寸都会产生变化。材料抵抗破坏的能力称为强度，材料抵抗变形的能力称为刚度。为了保证机械零部件能够正常、安全地工作，就必须使其具有足够的强度、刚度和稳定性。因为大多数构件可以视为直杆，所以本章重点讨论直杆受到外力作用时所产生的变形及内应力。如图2-1所示，直杆在外载荷的作用下会发生的常见基本变形有轴向拉伸（或压缩），剪切与挤压、扭转和弯曲，以及由两种或两种以上基本变形形式叠加而成的组合变形。2.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力拉伸与压缩变形的特点工程中有很多杆件是承受拉伸或压缩作用的。例如，悬臂式起重机上的AB杆（图2-2a）、紧固螺栓（图2-2b）等都是受拉伸的杆件；液压缸活塞杆（图2-2c）、建筑物中的支柱（图2-2d）等都是受压缩的杆件。拉伸与压缩变形的特点它们受力的共同特点是外力(或外力合力)沿杆轴线作用。变形特点是杆件沿轴向伸长或缩短，如图2-3所示。内力与应力1．内力杆件所受其他物体的作用力都称为外力，包括主动力和约束力。如图2-4a所示，在外力作用下，构件产生变形，杆件材料内部产生阻止变形的抗力，这种抗力称为内力，如图2-4b所示。外力越大，构件的变形越大，所产生的内力也越大。外力去除后，构件恢复原状，内力也随着消失。可见，内力是由于外力的作用而引起的，内力随外力增大而增大。内力与应力2．截面法将受外力作用的杆件假想地切开，用以显示内力的大小，并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法。截面法的具体应用如图2-4所示。选取杆件的左端为对象，列平衡方程为FN－F=0，内力为FN=F。内力与应力3．应力由于材料是均匀的，因而其受力也相同，所以杆件截面上各点处的正应力σ都相等，σ等于常量，如图2-4b所示，其计算公式为式中 σ—横截面上的正应力（MPa）；FN—横截面上的内力（N）；A—横截面面积（mm2）。应力的正负号规定为拉伸应力为正，压缩应力为负。应力的单位为帕，用Pa表示，1Pa=1N/m2。工程中常用单位为兆帕（MPa），1MPa=106Pa=1N/mm2。2.2拉伸与压缩时材料的力学性能概述分析构件的强度时，除计算构件在外力作用下的应力外，还应了解材料的力学性能。所谓的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能。力学性能一般是通过试验来测定的。如图2-5所示，把拉伸试件装夹在材料试验机上，试件的原始直径为do，原始标距为Lo。在试样逐渐施加拉伸载荷的同时连续测量力F和相应的伸长量ΔL，直到拉断为止，根据测得的数据绘出拉长曲线，求出相关的力学性能指标。低碳钢拉伸与压缩时的力学性能1．低碳钢拉伸时的力学性能图2-6所示为低碳钢拉伸时的应力-应变曲线。由O点到a点为弹性变形阶段，在此阶段内当除去外力后，材料会恢复原状。a点对应的应力值σp，称为材料的比例极限；b点对应的应力值σA，称为材料的弹性极限。低碳钢拉伸与压缩时的力学性能b点到c点为塑性变形区域，材料在b点以后的变形无法恢复原状，会产生永久变形。c点到e点为屈服阶段，当应力达到ReH（C点）时，应力-应变曲线上会出现一段水平或锯齿形线段，表示开始产生塑性变形，C点是拉伸试验的重要判据点，称为上屈服点，当应力达到ReL（e点），该点称为下屈服点，试样继续发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服。低碳钢拉伸与压缩时的力学性能e点到f点为强化阶段，材料会产生硬化现象，f点对应的应力是材料拉断前所承受的最大拉应力，称为抗拉强度，用Rm表示。式中Fmw—试件断裂前所能承受的最大载荷（N）；So—试样原始横截面积（mm2）。由f点到g点为颈缩阶段，材料会产生颈缩现象（图2-7），然后再被拉断破坏掉。低碳钢拉伸与压缩时的力学性能试件拉断后，材料的塑性变形被保留下来，试件长度由原来长Lo变为Lu。试件拉断后的塑性变形量与原长之比以百分比表示，即式中A—断后伸长率。断后伸长率是衡量塑性变形程度的重要指标之一。Q235钢的断后伸长率A≈20%～30%。断后伸长率越大，表示材料的塑性性能越好。通常把A≥5%的材料称为塑性材料，A＜5%的材料称为脆性材料。衡量材料塑性变形程度的另一个重要指标是断面收缩率Z。设试件拉伸前的横截面面积为So，拉断后断口横截面面积为Su，则低碳钢拉伸与压缩时的力学性能2．低碳钢压缩时的力学性能图2-8所示为低碳钢压缩时的应力—应变曲线。低碳钢压缩时的力学性能有如下特点：由于在屈服阶段以前，压缩的应力—应变曲线形状与拉伸的曲线形状基本重合，低碳钢压缩时的比例极限σp、弹性极限σA、屈服点应力等与拉伸时相同。在屈服阶段以后，试件压扁，压缩曲线上偏，但试样不会断裂。铸铁拉伸与压缩时的力学性能图2-9所示为灰铸铁的拉伸、压缩应力—应变曲线。图2-9中的虚线为拉伸曲线，从开始至试件拉断，应力和应变都很小，没有屈服阶段和颈缩现象。拉断时的最大应力Rm为材料的抗拉强度。HTl50的抗拉强度Rm=150MPa。图2-9中实线是灰铸铁的压缩应力—应变曲线，其抗压强度Rmc远大于抗拉强度。2.3直杆轴向拉伸与压缩时的强度计算许用应力与安全系数在工程应用中，材料会因受到外部载荷产生应力，为了安全起见，将材料丧失正常工作能力时的应力，称为极限应力。塑性材料的极限应力是其屈服强度Rp，脆性材料的极限应力是其抗拉强度Rm。当构件中的材料应力接近极限应力时，构件就处于危险状态。因此，必须考虑构件中的材料应在安全范围内承受最大限度的应力，这个应力称为材料的许用应力，常用符号[σ]表示。塑性材料脆性材料式中，n为安全系数，其值必须大于1。拉伸与压缩时的强度条件为了确保轴向拉（压）杆在外力的作用下具有足够的强度，应使杆件的最大工作应力不超过材料的许用应力，由此建立强度条件式中FN—危险截面上的内力（N）；A—危险截面横截面面积（mm2）。σ的单位为MPa，1MPa=106Pa=1N/mm2。运用强度条件，可以解决强度校核、截面选择和确定许用载荷三种类型的问题。2.4连接件的剪切与挤压剪切力与切应力图2-11所示为剪切的板料受到剪切力F的作用，使得板料在被剪断的abcd断面面积A上，产生均匀的内力以抵抗外力F的作用并产生变形，如图2-11b所示。这种截面间发生相对错动的变形，称为剪切变形。产生相对错动的截面称为剪切面。其受力特点为外力大小相等，方向相反，作用线相距很近，变形特点为沿剪切面发生相对错动。从剪切的受力和变形特点可知，剪切面总是与作用力平行，而位于相邻两反向外力作用线之间。而这些均匀内力的总和称为剪切力。剪切力与切应力依照力的平衡条件可知，剪切力FQ与外力F的大小相等、方向相反且与该受力截面相切。根据上述的情况，则单位面积上所受的剪切力，称为切应力，常用符号τ表示，即切应力的单位是Pa（帕）或MPa（兆帕）。工程中受剪切变形的典型零件有很多，如剪切机切钢板、机械上的螺栓、铆钉、键、销等连接件上均会产生切应力。压应力在零件发生剪切变形的同时，往往伴随着挤压变形。挤压变形是两构件在传力的接触面上，局部承受较大的挤压力，出现塑性变形或压溃的现象。工程中常假定挤压力在挤压面上是均匀分布的。挤压面上单位面积所受到的挤压力，称为压应力，即式中Fp—作用于挤压面上的压力；Ap—挤压面面积。工程中，常用作连接的螺栓、键、销、铆钉等标准件，它们受到的剪切力和挤压力较复杂，变形也复杂。因此，在计算设计这类杆件时常采用实用计算法，即假定剪切力、挤压力是均匀分布的，利用抗剪强度、抗压强度计算公式进行强度校核、设计截面尺寸以及确定许用载荷。2.5圆轴的扭转圆轴的扭转机械的传动轴可以将功率传递到机器的不同位置，这种功或能的传送在工程中使用非常普遍。例如载货汽车传动轴（图2-14a）、汽车转向盘下的转向轴（图2-14b）、电动机和发电机的输出轴以及机器中的各种传动轴，其传动方式常借助于扭转作用。圆轴的扭转扭转变形的特点是构件受到大小相等、方向相反、作用面垂直于轴线的力偶作用，截面之间绕轴线发生相对转动。图2-15所示就是杆件受扭的最简单情况。根据扭转变形现象，可以得出圆轴扭转的平面假设：圆轴在扭转变形时，各截面仍为垂直于轴线的平面，只是绕轴线作相对转动，圆轴截面上的半径仍为直线，且其长度不变。所以，在横截面上没有正应力，只有垂直于半径的切应力。圆轴的扭转圆轴扭转时，横截面上切应力的分布规律如图2-16所示，横截面上某点的切应力与该点至圆心的距离成正比，圆心处的应力为零，圆周上的切应力最大，切应力方向与该点的半径垂直，切应力沿截面半径成直线规律分布。圆轴的扭转圆轴扭转时横截面上产生一个内力，该内力为一个力偶矩，称为扭矩，用MT表示，计算公式为式中 τ—横截面最外边缘处的切应力（MPa）；MT—横截面上的扭矩（N·m）；Wt—抗扭截面系数（mm3）。对于实心圆轴，Wt≈0.2D3，D为轴的直径。对于空心圆轴，Wt≈0.2D3(1－α4)，α=d/D为空心轴的内、外径之比；D、d分别为空心轴的外径和内径。2.6直梁的弯曲直梁的弯曲弯曲变形是工程中最常见的一种基本变形。如图2-17所示，这些实例具有相同的受力特点：作用在杆件上的外力垂直于杆件的轴线；变形特点是使原为直线的轴线变形后成为曲线，这种形式的变形称为弯曲变形。以弯曲变形为主的杆件习惯上称为梁。平面弯曲的基本概念1．平面弯曲工程结构与机械中的梁，其横截面往往具有对称轴。图2-18所示为梁常见的截面形状，其横截面皆有一对称轴y，对称轴y与梁的轴线x构成纵向对称面（图2-19中阴影所示）。若作用在梁上的外力均位于纵向对称面内，且与梁的轴线垂直，则变形后梁的轴线将是一条位于该平面内的曲线，这种弯曲称为平面弯曲。平面弯曲的基本概念2．梁的基本形式工程实际中，通过对支座的简化，将梁分为以下三种基本形式。（1）简支梁梁的一端是固定铰支座，另一端是活动铰支座，如图2-20所示。（2）悬臂梁一端固定，另一端自由的梁，如图2-21所示。（3）外伸梁简支梁的一端或两端伸出支座以外，并在外伸端有载荷作用，如图2-22所示。平面弯曲的基本概念3．梁上载荷作用在梁上的载荷可以简化为以下三种类型。1）集中载荷，如图2-23所示。2）均布载荷，如图2-24所示。3）集中力偶，如图2-25所示。弯曲应力梁在纯弯曲时，上、下边缘处（到中性轴距离最大）正应力最大，表达式为式中σmax—横截面上距离中性层最远处的最大正应力（MPa）；M—横截面上的弯矩（N·m）；Wz—抗弯截面系数（mm3）。提高梁抗弯能力的措施1．合理布置支承的位置工程中，龙门式起重机的横梁、锅炉、储罐等，均可简化为均布载荷作用下的梁，都可将支座从两端各向里移动一段距离，如图2-26所示。集中力作用的简支梁，将载荷作用点靠近支座，或将载荷分散作用，都将显著地降低梁的弯曲变形程度。提高梁抗弯能力的措施2．选择合理的截面形状为提高抗弯能力，工程上常将梁的截面设计成材料远离中性层的形状。如图2-27所示，在各截面面积相等的情况下，自左至右，各截面形状的抗弯能力逐渐下降。工字形截面和空心截面的承载能力强。提高梁抗弯能力的措施3．采用等强度梁一般情况下，梁是等截面的，即抗弯截面系数W为常量。但梁上的弯矩是随截面位置的变化而变化的。对于等截面梁来说，只有在弯矩最大值的截面上，最大应力才有可能接近许用应力，其余截面上由于弯矩较小，应力也较小，材料没有充分利用。从强度观点分析，梁的截面形状尽量与弯矩图形状接近，这样的梁是比较合理的，这种梁称为等强度梁。如汽车上的钢板弹簧、机械工程中常见的阶梯轴等。目标学习目标理解常用碳钢的分类、牌号、性能和应用。了解合金钢的分类、牌号、性能和应用。了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。了解常用有色金属的分类、牌号、性能和应用。了解材料选用的一般原则、方法及步骤。概述材料的运用一直与人类的生活息息相关，从远古的石器时代，再进步到铜器时代、铁器时代，直至近代的复合材料、陶瓷材料、纳米材料等，都是在追求符合人类需要的过程中发现的新材料。常用作机械零件的材料有金属和非金属两大类。金属材料是现代工业应用最广泛的材料。在工业生产中，一般将金属材料分为黑色金属和有色金属两大类，常用的黑色金属主要有钢和铸铁两种，常用的有色金属有铝和铜两种。非金属材料主要有工程塑料、复合材料及新型工程材料。3.1黑色金属碳素钢1．碳素结构钢碳素结构钢牌号中的Q代表屈服强度，数字表示屈服极限数值，还可以用字母表示质量等级（A、B、C、D）和脱氧方法（沸腾钢——F、镇静钢——Z、特殊镇静钢——TZ）。常用碳素结构钢的牌号、性能特点及用途见表3-1。碳素钢2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢表示方法用两位数字，例如45钢，表示平均ωC=0.45%。常用优质碳素结构钢的牌号、性能特点及用途见表3-2。碳素钢3．碳素工具钢碳素工具钢应具有高硬度和高耐磨性，都是优质钢或高级优质钢，碳素工具钢用代号“T”表示，高级优质钢在数字后面加“A”字，主要用于制造各种工具、量具和模具等。常用碳素工具钢的牌号、性能特点及用途见表3-3.合金钢所谓合金钢是指为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。按合金元素的质量分数分为低合金钢（ωMe＜5%）、中合金钢（ωMe=5%～10%）、高合金钢（ωMe＞10%），按钢中合金元素分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢等，按用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。合金钢1．合金结构钢合金结构钢按用途可分为低合金高强度结构钢和机械制造用钢两大类。（1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢材，但具有较高的屈服强度和良好的塑性和韧性，良好的焊接性和一定的耐蚀性。常用低合金高强度结构钢的牌号及用途见表3-4合金钢（2）机械制造用钢机械制造用钢主要用于制造各种机械的零部件。按用途及热处理特点可分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢。常用机械制造用钢的牌号及用途见表3-5。合金钢2．合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善其性能，再加入适量的合金元素所形成的钢。合金工具钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和耐回火性，可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。合金钢3．特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。在机械制造中常用的特殊性能钢有不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢等，常用来制作具有特殊性能要求的零部件。铸  铁铸铁是工业上广泛应用的一种铸造金属材料。它比碳钢含有较多的硫、磷等杂质元素。铸铁具有优良的铸造性能、切削性能和减振、耐磨等性能，并且成本低廉，因此在机械行业中得到了广泛的应用。1．白口铸铁白口铸铁中的碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件，主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯。2．灰铸铁灰铸铁的石墨形态呈片状。由于片状石墨的存在，割裂了金属基体组织，减少了承载的有效面积，因此其综合力学性能较低，但其减振性、耐磨性、铸造性及可加工性较好，主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨等零件。铸  铁灰铸铁牌号的表示方法为“HT”加数字，其中“HT”是灰铁两字汉语拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。常用的灰铸铁牌号为HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等，其牌号、性能特点及用途见表3-8。铸  铁3．球墨铸铁球墨铸铁的牌号用QT和两组数字表示。其中QT表示两字“球铁”的字首，后面两组数字分别表示最小抗拉强度值和最小伸长率。例如，QT400-15表示球墨铸铁的最小抗拉强度为400MPa，最小伸长率为15%。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，与钢相当；具有良好的铸造性能、耐磨性能、减振性能和可加工性，球墨铸铁常用来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等；代替灰铸铁制造强度要求高的箱体类零件和压力容器。铸  铁铸  铁4．可锻铸铁可锻铸铁按化学成分、热处理工艺而导致的性能和金相组织的不同分为两类，第一类为黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁，第二类为白心可锻铸铁。可锻铸铁牌号用KTH（或Z、B）（可铁）+数字（抗拉强度）+数字（最小伸长率）表示，“H”表示黑心可锻铸铁，“Z”表示珠光体可锻铸铁，“B”表示白心可锻铸铁。例如，KTH330—08表示铁素体基体可锻铸铁，其最小抗拉强度为330MPa，最小伸长率为8%。可锻铸铁常用于制造形状复杂的横截面零件，其工作时易受冲击和振动场合，如汽车、拖拉机的后桥壳、轮壳、转向机构及管接头等。铸  铁3.2有色金属铝及铝合金1．纯铝纯铝是一种银白色的金属。它质轻、密度较小，是轻金属之一，常用作各种轻质结构材料的基本组元。由于纯铝具有塑性好以及耐大气腐蚀，易于承受各种压力加工而制成多种型材与制品。工业纯铝的纯度不及高纯度铝，其常见杂质为铁和硅。这类铝主要用于制成管、棒、线等型材以及配制铝合金的原料。铝材的牌号有1070A、1060、1050A、1035、1200等（牌号中的数字越大，代表杂质元素的含量越高）。铝及铝合金2．铝合金由于纯铝的强度很低，不宜用来制作结构零件。在铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可以得到较高强度的铝合金，且仍具有密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。铝合金按其成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金。（1）形变铝合金形变铝合金按其主要性能和用途，分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。防锈铝合金用5A××或3A××表示，如5A05；硬铝合金用2A××表示，如2A11；超硬铝合金用7A××表示，如7A04；锻铝合金用2A××表示，如2A70。铝及铝合金其中防锈铝合金主要用于制造耐蚀性高的容器、防锈及受力小的构件，如油箱、导管及日用器具等；硬铝常用于制造飞机零部件及仪表零件；超硬铝主要用于制造