機械基礎-機械零件的材料、結(jié)構和承載能力

1、一、 零件的常用材料及選用二、 零件的結(jié)構工藝性三、 機械零件的標準化、系列化和通用化 四、零件的強度02 機械零件的材料和承載能力02 機械零件的材料和承載能力 一、零件的常用材料及選用 材料是制作機械零件的原料，零件有強度和使用壽命的要求，不同的零件需要選用不同的材料。如汽車輪胎需要具有一定的彈性和耐磨性，選用橡膠作為原料；汽車大梁需要承受較大的載荷和沖擊，選用具有一定強度和韌性的低碳合金鋼。機床的主軸不僅要有強度，還要有抗彎曲變形的剛度要求，選擇45或40Cr鋼材，并作成中空形狀；機床的床身要求不變形且耐磨損，選用不變形的鑄鐵材料，導軌表面作淬火處理。常用材料材料選用原則一、一、 常用材

2、料常用材料 1鋼 2鑄鐵 3. 銅合金 4. 鑄鐵錫基和鉛基軸承合金 5. 工程塑料 6. 橡膠02 機械零件的材料和承載能力 1、鋼 常用作機械零件的材料，它是鐵和碳的合金。常用結(jié)構碳素鋼和合金鋼。鋼中含碳質(zhì)量分數(shù)的多少，影響到鋼的韌性和硬度，含碳質(zhì)量分數(shù)越低，韌性越好，但硬度低；反之，含碳質(zhì)量分數(shù)越高，硬度越大，但韌性越差。所以，常用中碳鋼作為零件的材料，具有一定的韌性和硬度，也方便進行熱處理。02 機械零件的材料和承載能力（含碳量大于0.02%,小于2.11%的鐵、碳合金）1.1.鋼鋼碳素鋼低碳鋼0.02%C0.25% 用于鉚釘、螺釘、連桿等 合金鋼合金結(jié)構鋼合金工具鋼特殊性能鋼 如：不

3、銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼低合金結(jié)構鋼 滾動軸承鋼彈簧鋼中碳鋼0.25% C0.6% 用于齒輪、軸、連接件等高碳鋼0.6%C 2.11%用于彈簧、工具、模具等 鋼02 機械零件的材料和承載能力鑄鋼 用于機座、箱殼、大齒輪等2.2.鑄鐵鑄鐵（含碳量大于2.11%的鐵、碳合金） 灰鑄鐵 如HT100、HT300,良好的鑄造性、切削加工性、 耐磨性，消振性，但抗拉強度低。02 機械零件的材料和承載能力鑄鑄鐵鐵球墨鑄鐵 如QT400-18、QT500-7,強度和塑性比灰鑄鐵有 很大的提高，具有良好的耐磨性，但鑄造性較差?？慑戣T鐵 如KTH300-06 ,強度、塑性、韌性、耐磨性均 較高，能承受沖擊振動 ,

4、但生產(chǎn)周期長，成本較高。鑄造大尺寸零件較困難。3.銅合金銅合金 銅合金的減磨性和耐腐蝕性能較好。 黃銅：銅與鋅的合金，含少量錳、鋁等元素，如 ZCuZn38等。 青銅：青銅以主加元素的不同又可分為錫青銅和鋁青銅等，如CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5。青銅比黃銅有更高的強度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。02 機械零件的材料和承載能力鑄造錫基和鉛基合金主要含有錫、鉛、銻等成分，其優(yōu)點是減磨性、抗燒傷性、磨合性、耐蝕性、韌性和導熱性良好，主要用于制作滑動軸承的減磨層。02 機械零件的材料和承載能力4、鑄造錫基和鉛基合金 5工程塑料熱塑性塑料。如：聚乙烯、有機玻璃、尼龍等。02 機械零件的材料和

5、承載能力熱固性塑料。如：酚醛塑料、氨基塑料等。工程塑料用于一般結(jié)構零件、減摩和耐磨零件、傳動件、耐腐蝕件、用于一般結(jié)構零件、減摩和耐磨零件、傳動件、耐腐蝕件、絕緣件、密封件、透明件等絕緣件、密封件、透明件等橡膠有普通橡膠和特種橡膠，用于制作密封件、減振件、傳動件、輸送帶、輪胎、膠輥等。02 機械零件的材料和承載能力 6.橡膠02 機械零件的材料和承載能力2、材料的選用 材料的品種很多，各有特點，應做到物盡其用，用其所長。當然要考慮零件工作中的使用要求、工藝要求和經(jīng)濟性。 所謂經(jīng)濟性，首先表現(xiàn)在材料的相對價格，還與生產(chǎn)批量、供應條件等條件有關。 工藝要求包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工

6、性能、熱處理性能等。如：結(jié)構復雜的箱體類零件，宜采用鑄造毛坯；重要的軸類和盤類零件，宜采用鍛造毛坯等。02 機械零件的材料和承載能力 使用要求包括零件的工作和受載情況，零件的尺寸和質(zhì)量的限制，零件的重要程度等。工作情況指零件所處的環(huán)境，如介質(zhì)、溫度及摩擦性質(zhì)。受載情況指的載荷大小和應力種類。02 機械零件的材料和承載能力 機械零件應該加工方便、節(jié)省工時、提高效率、降低成本、保證質(zhì)量、滿足結(jié)構工藝要求。影響機械零件的結(jié)構工藝性的因素很多，涉及材料選擇、毛坯準備、機械加工、裝配維修等各方面。如鑄造材料要求其最小厚度要大于8mm，否則會因為鑄不滿而產(chǎn)生廢品；留出足夠的加工余量。鍛件的內(nèi)孔太小時，不能

7、沖孔成形；軸上的螺紋要留退刀槽；磨削表面提前做出中心孔等。這些都是滿足加工工藝要求所必須做好的準備。02 機械零件的材料和承載能力二、零件加工的工藝性02 機械零件的材料和承載能力三、零件的標準化、系列化和通用化 國家對機械零件做出了統(tǒng)一的標準規(guī)定，有利于簡化零部件的品種和規(guī)格，便于組織大規(guī)模的生產(chǎn)，降低成本。 如需要一個螺釘、螺母，可以在市場上很方便地買到。它是由標準件廠統(tǒng)一生產(chǎn)的，價格低，通用性好，方便使用，但螺釘有統(tǒng)一的標準，如M6、M8、 M10、 M12、M16毫米，沒有7、9、11、13,等規(guī)格的螺釘。滾動軸承也是一樣，其標準內(nèi)經(jīng)僅有10、12、15、17、20、25、30、35不

8、可能有其他數(shù)值。02 機械零件的材料和承載能力 機械零件的標準化，是指產(chǎn)品的形式、材料、尺寸、參數(shù)、性能等用“標準”予以統(tǒng)一規(guī)定并實施；系列化是指對同一種零部件，在相同的基本結(jié)構和基本尺寸條件下，規(guī)定若干個輔助尺寸不同的規(guī)格；通用化是指在不同的同類產(chǎn)品甚至不同的類型的產(chǎn)品上采用同樣的零部件。 零件的標準化、系列化和通用化的意義，主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1)、便于組織大批量生產(chǎn)，并能提高質(zhì)量、降低成本。(2)、有利于減少制造和設計工作量，縮短生產(chǎn)周期。(3)、增大零部件的互換性，方便機器維修。(4)、有利于增加產(chǎn)品品種，擴大生產(chǎn)批量，滿足各種需求。02 機械零件的材料和承載能力 失效是指機械零件

9、喪失工作能力或不能達到設計要求時。如彩色電視機的顯像管，由于老化而出現(xiàn)的圖象模糊不清，達不到設計時的要求，稱之為失效。 零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。對荷載而言的工作能力稱為承載能力。02 機械零件的材料和承載能力四、 零件的強度02 機械零件的材料和承載能力 1、載荷指機械零件受到的外力或外力矩或者是力和力矩組成的聯(lián)合載荷。載荷大小和方向不隨時間變化或者變化緩慢的，稱為靜載荷。載荷大小和方向隨時間變化而變化的稱為動載荷。根據(jù)動力機的額定功率P(kW)和額定轉(zhuǎn)速n(r/min)計算出的稱為名義載荷。02 機械零件的材料和承載能力名義轉(zhuǎn)矩為： 式中 T-轉(zhuǎn)矩，Nmm； i-從動力到

10、所計算零件之間的總傳動比； -從動力到所計算零件之間傳動的總效率。載荷系數(shù)K與名義載荷的乘積稱為計算載荷，以TC，F(xiàn)C等表示。=KT 式中 K-載荷系數(shù)，一般取K1。 2、應力 應力是機械受到外載荷作用后，單位截面上所受到的內(nèi)力。載荷指零件外部的作用力；應力指受到外部作用后，零件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力。應力的大小與外部載荷的變化、大小有關。 02 機械零件的材料和承載能力 式中 -應力，國際單位N/m2F-機械所受的內(nèi)力，單位N。A-機械零件受力的截面積，單位mm2靜應力指大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應力。靜載荷產(chǎn)生靜應力。變應力是指大小和方向隨時間變化的應力。動載荷產(chǎn)生變應力。具有周期性變化的

11、應力稱為循環(huán)應力。按應力變化特點分成脈沖循環(huán)應力、對稱循環(huán)應力和非對稱循環(huán)應力三種，其中對稱循環(huán)應力對零件的壽命影響最大。02 機械零件的材料和承載能力02 機械零件的材料和承載能力02 機械零件的材料和承載能力 4、安全系數(shù)和許用應力 每一種材料經(jīng)過試驗后，都可以找到最大極限應力值。如果直接以極限應力作為計算材料的強度，當達到極限應力值時，零件就會出現(xiàn)破壞。此外，實驗室的測試是靜態(tài)的外載荷作用，與零件實際工作環(huán)境存在差別，為防止出現(xiàn)意外事故，取一個比1大的值作為安全系數(shù)。如取安全系數(shù)2，假設其極限應力為200MPa，被2除后，得到100MPa，稱100MPa為許用的應力，即當應力達到100

12、MPa時為最大的極限，超過100 MPa認為零件超載，會出現(xiàn)破壞。02 機械零件的材料和承載能力實際應用中，有安全系數(shù)的作用，并不一定立即出現(xiàn)問題。所以許用應力為極限應力與安全系數(shù)的比值。安全系數(shù)越大，零件越安全，但零件尺寸斷面越大，造價越高。 對于運輸機械，如摩托車、汽車、飛機，如果安全系數(shù)過大，自身重量過大，消耗的燃料過多，所以應當取較小的安全系數(shù) 。02 機械零件的材料和承載能力 3、零件的強度 強度是反映機械零件承受載荷時抵抗破壞的能力的重要指標。根據(jù)工作條件的不同，機械零件的強度可分為靜強度和疲勞強度。根據(jù)破壞部位和破壞形式的不同，機械零件的強度分為表面強度和體積強度，一般強度是指體

13、積強度。 （1 ）機械零件的體積強度在載荷作用下，如果應力是在較大的 體積內(nèi)產(chǎn)生的，在這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為體積強度。一般分為靜應力下零件的強度和變應力下零件的強度。02 機械零件的材料和承載能力 靜應力使零件產(chǎn)生塑性變形或斷裂。如自行車前后軸固定不動，受到人的不變載荷靜止作用，前軸太細可能產(chǎn)生彎曲塑性變形，嚴重時會斷裂。 變應力使零件產(chǎn)生疲勞斷裂。如火車車輪與軸組成一體，軸的受載荷是不變，但軸隨車輪的轉(zhuǎn)動不斷變化位置，它受到對稱循環(huán)變化的變應力作用，經(jīng)過無數(shù)次轉(zhuǎn)動后，可能出疲勞斷裂。02 機械零件的材料和承載能力 （2）機械零件的表面強度 在載荷的作用下，如果應力是在零件的較淺的表層產(chǎn)生的，在這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為表面強度。02 機械零件的材料和承載能力表面強度表面磨損強度表面擠壓強度表面接觸強度02 機械零件的材料和承載能力 (1) 表面接觸強度 點、線