目錄、緒論、機(jī)械基礎(chǔ)1-3章

中等職業(yè)教育規(guī)劃教材

根據(jù)教育部中等職業(yè)學(xué)校新教學(xué)大綱要求編寫機(jī)械基礎(chǔ)中華工商聯(lián)合出版社緒論§0-1本課程的內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)和基本要求§0-2如何學(xué)好這門課程目錄第一章機(jī)械概述§1-1機(jī)器及其組成§1-2金屬材料的性能§1-3機(jī)械零件的強(qiáng)度§1-4摩擦與磨損本章練習(xí)第二章靜力學(xué)§2-1靜力學(xué)概述§2-2靜力學(xué)公理§2-3力矩和平面力偶系§2-4約束與約束力§2-5平面受力分析本章練習(xí)第三章材料力學(xué)§3-1材料力學(xué)概述§3-2拉伸與壓縮§3-3剪切與擠壓§3-4圓軸的扭轉(zhuǎn)§3-5直梁的彎曲本章練習(xí)第五章支承零部件§5-1軸§5-2軸承本章練習(xí)第四章工程材料§4-1黑色金屬材料§4-2有色金屬材料§4-3非金屬材料本章練習(xí)目錄第六章聯(lián)接§6-1鍵聯(lián)接的類型、特點及應(yīng)用§6-2螺紋聯(lián)接的類型、特點及應(yīng)用§6-3聯(lián)軸器與離合器本章練習(xí)第七章常用機(jī)構(gòu)§7-1機(jī)構(gòu)的基本知識§7-2平面連桿機(jī)構(gòu)§7-3凸輪機(jī)構(gòu)本章練習(xí)第八章機(jī)械傳動§8-1帶傳動與鏈傳動§8-2齒輪傳動與蝸桿傳動§8-3齒輪系§8-4減速器本章練習(xí)第九章液壓傳動§9-1液壓傳動概述§9-2液壓元件§9-3液壓回路本章練習(xí)第十章機(jī)械維護(hù)§10-1機(jī)械的潤滑§10-2機(jī)械的密封§10-3機(jī)械的危險零部件及機(jī)械傷害本章練習(xí)緒論

§0-1本課程的內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)和基本要求一、本課程的內(nèi)容和性質(zhì)本課程是中等職業(yè)學(xué)校機(jī)械類及近機(jī)械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。教材兼顧了綜合性和基礎(chǔ)性的要求，一方面力求綜合，盡量全面地介紹機(jī)械基礎(chǔ)領(lǐng)域的知識；另一方面，考慮到中職教育的特點，在各章知識的安排和選擇上都力求簡潔易懂。本課程的內(nèi)容包括機(jī)械概述、工程力學(xué)、機(jī)械工程材料學(xué)、機(jī)械零件、機(jī)械傳動、常用的機(jī)械機(jī)構(gòu)、支承零部件以及液壓傳動和機(jī)械維護(hù)等方面的基礎(chǔ)知識。二、本課程的任務(wù)和基本要求本課程的任務(wù)是讓同學(xué)們了解機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識并能靈活地運用相關(guān)知識解決實際中的問題。本課程有以下基本要求：（1）熟悉常用機(jī)構(gòu)的構(gòu)造原理、特點和設(shè)計的基本要求；（2）熟悉通用零件的工作原理、特點、結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原理和方法；（3）學(xué)會使用技術(shù)資料進(jìn)行通用零件和簡單機(jī)械傳動裝置的設(shè)計，具備能夠?qū)σ话銠C(jī)構(gòu)的特性和零件常見失效原因進(jìn)行分析，解決生產(chǎn)實際中有關(guān)機(jī)械零件、部件結(jié)構(gòu)方面問題的能力，為學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)機(jī)械設(shè)備課程以及參與技術(shù)改造奠定必要的基礎(chǔ)。第一章機(jī)械概述

機(jī)械是現(xiàn)代社會進(jìn)行生產(chǎn)和服務(wù)的5大要素(即人、資金、能量、材料和機(jī)械)之一。任何現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域都需要應(yīng)用機(jī)械，即使是人們的日常生活，也越來越多地應(yīng)用各種機(jī)械，如汽車、自行車、鐘表、照相機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)機(jī)和吸塵器等等。本章將介紹關(guān)于機(jī)械的基礎(chǔ)知識，使同學(xué)們對機(jī)械有一個初步的認(rèn)識與了解。1-1機(jī)器及其組成

一、基本概念機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。1.機(jī)器機(jī)器具有以下3個特征：（1）由多個構(gòu)件組成；（2）各構(gòu)件間具有確定的相對運動，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運動；（3）能夠完成有效的機(jī)械功或進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。比如半自動鉆床可以實現(xiàn)確定的機(jī)械運動，也可以作有用的機(jī)械功；內(nèi)燃機(jī)可以轉(zhuǎn)換能量；機(jī)械手能實現(xiàn)物料的傳遞。2.機(jī)構(gòu)具有機(jī)器前兩個特征的多構(gòu)件組合體，稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)一定規(guī)律的運動。如齒輪機(jī)構(gòu)傳遞運動，凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換運動。3.零件和構(gòu)件零件是指機(jī)器中不可拆的每一個最基本的制造單元體。零件可分為兩類：一類是通用零件，即在各類機(jī)械中常見的零件，如齒輪、軸、螺栓和彈簧等；另一類是專用零件，是指在專用機(jī)械中特有的零件，如葉片、犁鏵和槍栓等。構(gòu)件是指由一個或幾個零件所構(gòu)成的剛性單元體。構(gòu)件是運動單元，而零件是制造單元。構(gòu)件可能是由多個零件組合而成，也可能是一個單獨零件。1-1機(jī)器及其組成

二、機(jī)器的組成1．內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)是將燃?xì)馊紵龝r產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器，以往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)最為普遍。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的組成部分主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體和氣缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和起動裝置等。內(nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生具有高溫高壓的燃?xì)?。燃?xì)馀蛎浲苿踊钊鞴Γ偻ㄟ^曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其它機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動從動機(jī)械工作。內(nèi)燃機(jī)的圖例和機(jī)構(gòu)簡圖如圖1-1和圖1-2所示。

圖1-1內(nèi)燃機(jī)圖例圖1-2內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖1-1機(jī)器及其組成2.牛頭刨床牛頭刨床主要用來切削加工小型零件的平面。在刨銑工件中，常用的就是牛頭刨床。它的組成部分見圖1-3。圖1-3牛頭刨床1-1機(jī)器及其組成由以上兩個實例可以對機(jī)器及其組成有一個感性的認(rèn)識。機(jī)器的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式和用途也各不相同。一般來說，一臺完整的機(jī)器由以下4大部分組成：（1）原動機(jī)部分.原動機(jī)部分也稱動力裝置，其作用是把其它形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以驅(qū)動機(jī)器各部分運動和工作。原動機(jī)部分是機(jī)器完成預(yù)定功能的動力源，最常見的有內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)等。（2）執(zhí)行部分.執(zhí)行部分也稱工作部分（裝置）。它是機(jī)器中直接完成具體工作任務(wù)的部分，位于傳動路線的終點，如汽車的車輪、縫紉機(jī)的機(jī)頭等。（3）傳動部分.這部分是聯(lián)接原動機(jī)和執(zhí)行部分的中間部分，用以完成運動和動力的傳遞和轉(zhuǎn)換。利用它可以減速、增速、調(diào)速、改變轉(zhuǎn)矩和運動形式等，從而滿足執(zhí)行部分的各種要求。（4）操作或控制部分.這部分的作用是顯示和反映機(jī)器的運行位置和狀態(tài)，控制機(jī)器正常運行和工作。另外，潤滑系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等也是保證機(jī)器正常工作不可缺少的部分。1-2金屬材料的性能

本節(jié)主要介紹金屬材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能和工藝性能。一、金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能是指金屬材料所固有的屬性，包括密度、比重、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。1.密度密度是物體單位體積內(nèi)所具有的質(zhì)量。它的單位是kg/m3，常用金屬材料的密度大致如下：鑄鋼為7.8×103kg/m3，灰鑄鐵為7.2×103kg/m3，碳鋼為7.85×103kg/m3，銅為8.9×103kg/m3，黃銅為8.85×103kg/m3，2.7×103kg/m3。2.比重比重是物體的重量與體積之比。它的單位是牛頓每立方米，即N/m3。各種金屬材料都有固定的比重，在相同體積下，比重愈大的金屬材料，其重量也愈大。3.熔點金屬材料在緩慢加熱的條件下，由固態(tài)向液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度，叫做熔點，一般用攝氏溫度（℃）表示。工業(yè)上常用的金屬材料中，錫的熔點最低，為231.9℃，而鎢的熔點最高，為3410℃。各種金屬材料都有其固定的熔點，但大多數(shù)合金材料在熔化時，其熔化過程是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，即它們沒有一個固定的熔點。4.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性是指金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力。一般用導(dǎo)熱系數(shù)來表示金屬材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣。導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率的單位為w/（m·k）。熱導(dǎo)率大的金屬材料的導(dǎo)熱性好。一般情況下，金屬材料的導(dǎo)熱性比非金屬材料好。導(dǎo)熱性最好的是金屬銀，其次是銅和鋁。5.導(dǎo)電性金屬材料傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。衡量金屬材料導(dǎo)電性的指標(biāo)是電導(dǎo)率。電導(dǎo)率愈大，其導(dǎo)電性能就愈好。所有金屬都具有導(dǎo)電性，但各種金屬材料的導(dǎo)電性各不相同，導(dǎo)電性以銀最好，其次是銅和鋁。金屬材料的導(dǎo)電性還與溫度有關(guān)。合金材料的導(dǎo)電性一般比相應(yīng)的純金屬材料差。當(dāng)橫截面積及其他條件相同時，金屬材料的導(dǎo)電性愈好，則電流通過時產(chǎn)生的熱量就愈小，因而在輸電過程中的電能損失就愈小。6.熱膨脹性金屬材料在受熱時體積會增大，冷卻時則收縮，這種現(xiàn)象稱為熱膨脹性。各種金屬材料的熱膨脹性不同，一般用線膨脹系數(shù)來表示金屬材料熱膨脹性的大小。7.磁性金屬被磁化或被磁力吸引的性能稱為磁性。根據(jù)這種性能的不同，通常將金屬材料分為鐵磁材料、順磁材料和逆磁材料3種。鐵磁材料有鐵、鈷和鎳等，它們在外磁場中能被強(qiáng)烈地磁化，鐵磁材料是制造電機(jī)和電器時不可缺少的材料。1-2金屬材料的性能

1-2金屬材料的性能

二、金屬材料的化學(xué)性能金屬材料在常溫或高溫條件下，抵抗外界介質(zhì)對其化學(xué)侵蝕的能力，稱為金屬材料的化學(xué)性能。金屬材料的化學(xué)性能一般包括抗氧化性和耐腐蝕性等。1.抗氧化性所謂抗氧化性，是指金屬材料在高溫時抵抗氧化的能力。許多金屬都能與空氣中的氧進(jìn)行化合而形成氧化物，在金屬表面形成一層氧化膜。如果金屬表面形成的氧化物層比較疏松，這時外界氧氣便可以繼續(xù)與金屬材料發(fā)生作用，使金屬材料受到破壞，這種現(xiàn)象就叫做金屬材料的氧化。如果金屬材料表面形成的氧化物層比較密集，于是就形成了一層保護(hù)層，使氧氣不能再與金屬材料接觸，阻止了金屬材料的繼續(xù)氧化，金屬材料就得到了保護(hù)，其抗氧化性就高。2.耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗各種介質(zhì)（氧、水蒸氣、酸、堿和鹽等）腐蝕作用的能力稱為抗腐蝕性。比如火電廠中的一些熱力部件，長期接觸高溫?zé)熎蛞恍└g介質(zhì)，使金屬材料表面不斷受到各種腐蝕，有時還會侵入金屬材料內(nèi)部，給安全運行帶來不利影響，嚴(yán)重時甚至造成破裂損壞事故。因此，金屬材料的抗腐蝕性是一項很重要的性能。1-2金屬材料的性能

三、金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗性能。金屬材料在加工和使用過程中所受的作用力稱為載荷（或稱負(fù)載荷或負(fù)荷）。載荷按其作用形式的不同，分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷等。金屬材料的力學(xué)性能包括金屬材料的強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞性能等指標(biāo)。1.強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。根據(jù)受力情況的不同，金屬材料的強(qiáng)度可以分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。其中最常用的強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限σb），σb表示金屬材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力，是機(jī)械設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。強(qiáng)度極限σb可以通過拉伸試驗測定。2.塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形（不可恢復(fù)的變形）而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)有伸長率δ和斷面收縮率ψ。δ和ψ的值越大，表示金屬材料的塑性越好。金屬材料具有塑性才能進(jìn)行加工，塑性好的金屬材料制成的零件在使用時也比較安全。1-2金屬材料的性能3.硬度硬度是指金屬材料局部表面抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力。它是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，其物理含義與測量方法有關(guān)。常用的硬度測量方法有如下幾種：（1）布氏硬度（HB).用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗壓力壓入待測的金屬材料表面，保持規(guī)定時間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗壓力，用測量的金屬材料的表面壓痕直徑來計算布氏硬度的一種試驗方法。也可以用布氏硬度計測量布氏硬度。布氏硬度的值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球壓時，用HBS表示；用硬質(zhì)合金球壓時，用HBW表示。（2）洛氏硬度（HR).用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗壓力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗壓力，用測量的殘余壓痕深度增量來計算硬度的一種試驗方法。也可以用洛氏硬度計測量洛氏硬度。洛氏硬度值用測量的殘余壓痕深度表示，可從表盤上直接讀出，如50HRC，HR前面為硬度數(shù)值，HR后面為使用的標(biāo)尺類型，最常用的是HRA、HRB、HRC等3種。（3）維氏硬度（HV）.用夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，使用很小的試驗力F（49.03～980.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d。維氏硬度的值用壓痕對角線長度表示，如640HV。

4.沖擊韌性沖擊韌性是指金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力。金屬材料的沖擊韌性一般在一次擺錘沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行測試，測得試樣在沖斷時斷口單位面積所消耗的沖擊吸收功，稱為沖擊韌度或沖擊值，常用ak表示，其單位為J/cm2。ak值越大，沖擊韌度越高。5.疲勞性能金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不被破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能進(jìn)行無限多次交變載荷試驗，所以一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、有色金屬在經(jīng)受108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)力時，所得的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。1-2金屬材料的性能1-2金屬材料的性能

四、金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能是指金屬材料在各種加工條件下表現(xiàn)出來的適應(yīng)能力，包括鑄造性、鍛壓性、切削加工性、焊接性等。1.鑄造性（可鑄性）金屬材料能否用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能，稱為鑄造性或可鑄性。鑄造性主要包括流動性、收縮性和偏析。流動性是指液態(tài)金屬材料充滿鑄模的能力。收縮性是指鑄件凝固時體積收縮的程度。偏析是指金屬材料在冷卻凝固過程中，因結(jié)晶的先后差異而造成金屬材料內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻性。2.鍛壓（可鍛性）金屬材料能否用鍛壓方法制成優(yōu)良鍛壓件的性能，稱為鍛壓性或可鍛性。它包括在熱態(tài)或冷態(tài)下能夠進(jìn)行錘鍛、軋制、拉伸和擠壓等加工。

3.切削加工性（可切削性或機(jī)械加工性）金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易程度，稱為切削加工性或可切削性或機(jī)械加工性。切削加工性的好壞常用加工后工件的表面粗糙度、允許的切削速度以及刀具的磨損程度來衡量。它與金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性及加工硬化程度等諸多因素有關(guān)。通常是用硬度和韌性作切削加工性好壞的大致判斷。一般來講，金屬材料的硬度愈高，愈難切削；硬度雖不高，但韌性大，切削也較困難。4.焊接性（可焊性）金屬材料在一定的焊接工藝條件下是否易于獲得優(yōu)良焊接接頭的能力，稱為焊接性或可焊性。主要是指在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面的內(nèi)容：一是結(jié)合性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料的焊接接頭對使用要求的適用性。3.切削加工性（可切削性或機(jī)械加工性）金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易程度，稱為切削加工性或可切削性或機(jī)械加工性。切削加工性的好壞常用加工后工件的表面粗糙度、允許的切削速度以及刀具的磨損程度來衡量。它與金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性及加工硬化程度等諸多因素有關(guān)。通常是用硬度和韌性作切削加工性好壞的大致判斷。一般來講，金屬材料的硬度愈高，愈難切削；硬度雖不高，但韌性大，切削也較困難。4.焊接性（可焊性）金屬材料在一定的焊接工藝條件下是否易于獲得優(yōu)良焊接接頭的能力，稱為焊接性或可焊性。主要是指在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面的內(nèi)容：一是結(jié)合性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料的焊接接頭對使用要求的適用性。3.切削加工性（可切削性或機(jī)械加工性）金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易程度，稱為切削加工性或可切削性或機(jī)械加工性。切削加工性的好壞常用加工后工件的表面粗糙度、允許的切削速度以及刀具的磨損程度來衡量。它與金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性及加工硬化程度等諸多因素有關(guān)。通常是用硬度和韌性作切削加工性好壞的大致判斷。一般來講，金屬材料的硬度愈高，愈難切削；硬度雖不高，但韌性大，切削也較困難。4.焊接性（可焊性）金屬材料在一定的焊接工藝條件下是否易于獲得優(yōu)良焊接接頭的能力，稱為焊接性或可焊性。主要是指在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面的內(nèi)容：一是結(jié)合性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工藝條件下金屬材料的焊接接頭對使用要求的適用性?！?-3機(jī)械零件的強(qiáng)度

機(jī)械零件的強(qiáng)度是指機(jī)械零件受載后抵抗斷裂、塑性變形和表面失效的能力。為了保證機(jī)械零件具有足夠的強(qiáng)度，必須使機(jī)械零件在受載后的工作應(yīng)力σ不超過機(jī)械零件的許用應(yīng)力［σ］，表達(dá)式為：σ≤［σ］或σ=F/A≤［σ］式中，F(xiàn)是載荷，A是截面積。一、載荷與應(yīng)力的分類載荷可以分為靜載荷和變載荷其中，循環(huán)變載荷又可以再分類：不穩(wěn)定循環(huán)變載荷（每一個循環(huán)內(nèi)載荷是變動的）穩(wěn)定循環(huán)變載荷（每一個循環(huán)內(nèi)載荷不變，各循環(huán)周期又相同，如往復(fù)式動力機(jī)曲軸所承受的載荷）應(yīng)力也分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力，變應(yīng)力分為不穩(wěn)定變應(yīng)力（變應(yīng)力中，每一次應(yīng)力變化的周期T、平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σ三者之一不為常數(shù)）；穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(T、σm、σa均不變)§1-3機(jī)械零件的強(qiáng)度

二、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度通過疲勞斷裂的定義可知，疲勞斷裂的機(jī)理是損傷的累積。疲勞斷裂具有如下特征：（1）斷裂過程可以分為以下幾個步驟：①產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）；②裂紋尖端在應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。（2）斷裂面分為光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）和粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）。（3）無明顯塑性變形的脆性，突然斷裂。（4）破壞時的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于金屬材料的屈服極限。金屬材料的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞強(qiáng)度（σ-1）。工程上使用的疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在一定的循環(huán)基數(shù)下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值。疲勞強(qiáng)度除與金屬材料的性能有關(guān)外，還與機(jī)械零件的工作條件、幾何形狀、表面狀態(tài)有關(guān)。因此，可以通過采取改善機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)形狀、避免應(yīng)力集中、改善表面粗糙度以及進(jìn)行表面強(qiáng)化處理等措施來提高金屬材料的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂.§1-4摩擦與磨損

一、摩擦1.摩擦的基本概念兩個物體表面在外力作用下發(fā)生相互接觸并作相對運動(或運動趨勢)時，在接觸面之間產(chǎn)生的切向運動阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象就是摩擦。影響摩擦力的因素包括接觸表面的運動情況、外載荷、環(huán)境條件（溫度、潤滑等）、表面形貌和材料性質(zhì)等。關(guān)于摩擦的分類有很多標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1-1所示。(見書10頁)2.摩擦的預(yù)防——潤滑摩擦吸收了機(jī)器中的大量功，這部分功大多在滑動表面上轉(zhuǎn)化為熱，它可以損傷甚至熔化軸承，為使摩擦力最小，在接觸部分涂抹上一層起潤滑作用的物質(zhì)，它既能承受軸承的表面壓力，又容易切過自身，從而減小摩擦力?！?-4摩擦與磨損

磨損是在一個物體與另一個固體的、液體的或氣體的對偶件發(fā)生接觸并作相對運動，由于機(jī)械作用而造成的表面材料不斷損失的過程。一般來講，磨損的過程分為3個階段：初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。由磨損引起的材料損失的量稱為磨損量，它的倒數(shù)稱為耐磨性。機(jī)械零件的磨損過程通常經(jīng)歷不同的磨損階段，直至失效。圖1-4是一種典型的磨損特性曲線(也稱浴盆曲線)。圖1-4磨損特性曲線圖

§1-4摩擦與磨損

下面介紹幾種最常見的且磨損機(jī)理又比較清楚的磨損形式：粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損(接觸疲勞)和微動磨損。1.粘著磨損粘著磨損是金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。當(dāng)摩擦表面的不平度峰尖在相互作用的各點處發(fā)生“冷焊”后，在相對滑動時，材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，便形成了粘著磨損。影響粘著磨損的因素主要有以下幾點：(1)金屬性質(zhì)越是相近的，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損就越嚴(yán)重。反之，金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損就較輕微。(2)在一定范圍內(nèi)，零件的表面粗糙度愈小，抗粘著能力愈強(qiáng)。2.磨料磨損硬顆粒例如巖石、砂子或某些硬金屬碎片等在壓力作用下滑過或滾過零件表面時，就產(chǎn)生磨料磨損。影響磨料磨損的因素主要有：磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強(qiáng)度等；外界載荷大小、滑動距離及滑動速度；材料自身的硬度及內(nèi)部組織。

3.疲勞磨損（接觸疲勞）接觸疲勞是工件(如齒輪、滾動軸承、鋼軌和輪箍、鑿巖機(jī)活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應(yīng)力的長期反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點，也叫點蝕或麻點磨損。有的凹坑很深，呈“貝殼”狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡存在。在剛出現(xiàn)少數(shù)麻點時，一般仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時間的延續(xù)，麻點剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴(kuò)大。接觸疲勞壽命首先取決于加載條件，特別是載荷大小。此外，還與許多其他因素有關(guān)，這里僅列舉具有代表性的因素，如非金屬夾雜物、馬氏體含碳量、剩余碳化物顆粒大小和數(shù)量以及材料的硬度等等。4.微動磨損微動磨損通常發(fā)生在一對緊配合的零件，如壓配合的軸頸、汽輪機(jī)及壓氣機(jī)葉片配合處以及銷釘或螺栓聯(lián)接零件等。這些原本配合緊密的零件，在載荷和一定的頻率振動作用下，較長時間后會產(chǎn)生松動，這種松動只是微米級的相對滑動，而微小的相對滑動導(dǎo)致了接觸金屬間的粘著，隨后是粘著點的剪切，粘著物脫落。在大氣環(huán)境下，這些脫落物被氧化成氧化物磨屑。由于兩摩擦表面的緊密配合，磨屑不易排出，這些磨屑起著磨料的作用，加速了微動磨損的過程。微動磨損的主要特征是表面形成凹坑或麻點，并在摩擦表面上伴隨著帶棕褐色或黑色的斑點，這些是集結(jié)的氧化物，常布滿在表面的凹坑或麻點中。微動磨損量與材料性質(zhì)、滑動振幅和施加載荷有關(guān)。滾壓、噴丸和表面化學(xué)熱處理都可因為表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，能有效地提高微動磨損的抗力。第二章靜力學(xué)

靜力學(xué)是研究剛體在力系作用下的平衡規(guī)律，同時也研究力的一般性質(zhì)及其合成法則。剛體是指在力的作用下，其內(nèi)部任意兩點之間的距離始終保持不變。剛體是實際物體被抽象化了的力學(xué)模型。例如，在圖2-1中，吊車梁的彎曲變形δ一般不超過跨度（A與B之間的距離）的1/500，水平方向變形更小。2-1靜力學(xué)概述

圖2-1吊車梁變形

§2-1靜力學(xué)概述

1.力的定義力是物體間相互的機(jī)械作用。這種作用使物體產(chǎn)生變形（圖2-1）或物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化（圖2-2）。力使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變的效應(yīng)，稱為力的外效應(yīng)；力使物體的形狀發(fā)生改變的效應(yīng)，稱為力的內(nèi)效應(yīng)。2.力的三要素及其表示方法力的大小、方向和作用點稱為力的三要素。力的任一要素的改變，都將改變其作用效果，因此力是矢量，用黑體字母（如F）表示，力的大小以牛頓（N）為單位。力的三要素表明，力是一個具有固定作用點的定位矢量，可以用一帶箭頭的有向線段來同時表示出力的三要素。如圖2-3所示，線段AB的長度按一定的比例尺來表示力F的大??；線段的方位及箭頭的指向表示力的方向；線段的起點A和終點B表示力的作用點位置。線段AB的延長線（圖2-3中的虛線）表示力的作用線。圖2-2小車的運動圖

圖2-3力的表示方法

§2-1靜力學(xué)概述

3.力系與等效力系作用在同一物體上的一組力稱為力系。如果兩力系分別作用于同一物體而效應(yīng)相同時，則這兩力系稱為等效力系。等效的兩個力系可以互相代替。若力系與一力等效，則此力就稱為該力系的合力；而力系中的各力，則稱為此合力的分力。力系的簡化就是用簡單的力系等效替代復(fù)雜的力系。4.平衡與平衡力系平衡是指物體相對于慣性參考系（如地面）保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)時物體機(jī)械運動中的一種特殊狀態(tài)。如橋梁、機(jī)床的床身以及作勻速直線飛行的飛機(jī)等等，都處于平衡狀態(tài)。如果力系可使物體處于平衡狀態(tài)，則這種力系稱為平衡力系。平衡力系中的任一力對于其余的力來說都稱為平衡力，即與其余的力相平衡的力?！?-2靜力學(xué)公理

靜力學(xué)的基本公理是靜力學(xué)的基礎(chǔ)，是符合客觀實際的普遍規(guī)律，是人們長期生活和實踐積累的經(jīng)驗總結(jié)。一、二力平衡公理作用于剛體上的兩力，使剛體保持平衡的充分必要條件是：兩力的大小相等、方向相反且作用于同一直線上。圖2-4表示了滿足二力平衡公理的兩種情況。工程上常遇到只受兩個力作用而平衡的構(gòu)件，稱為二力構(gòu)件或二力桿。根據(jù)二力平衡公理，該兩力必沿作用點的連線。如圖2-5所示。圖2-4二力平衡圖2-5二力構(gòu)件§2-2靜力學(xué)公理

二、力的平行四邊形法則作用于物體某一點的兩個力的合力，亦作用于同一點上，且合力的大小和方向可用這兩個力為鄰邊所作的平行四邊形的對角線來確定。假設(shè)在物體的A點作用有力F1和F2，如圖2-6a所示，若以FR表示它們的合力，則可以寫成矢量表達(dá)式：FR=F1+F2即合力FR等于兩分力F1與F2的矢量和。

平行四邊形法則是力的合成法則，也是力的分解法則。例如在圖2-7中，拉力F作用在螺釘A上，與水平方向的夾角為α，按此法則可將其沿水平及鉛垂方向分解為兩個分力F1和F2。圖2-6力的合成圖2-7力的分解2-2靜力學(xué)公理

三、加減平衡力系公理作用于剛體的力系加上或減去任一平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效應(yīng)。注意此公理只適用于剛體，而不適用于變形體。推論1力的可傳性原理作用于剛體上某點的力，可以沿著它的作用線移到剛體內(nèi)的任一點，并不改變該力對剛體的作用效應(yīng)。如圖2-8所示。圖2-8力的可傳性

推論2三力平衡匯交定理剛體受三個共面但不平行的力作用而平衡時，三力必匯交于一點。如圖2-9所示。

圖2-9三力匯交于一點四、作用力與反作用力公理兩物體間相互作用的力總是同時存在，并且兩力等值、反向、共線，分別作用于兩個物體。這兩個力互為作用與反作用的關(guān)系。2-2靜力學(xué)公理2-3力矩和平面力偶系

一、力矩力矩是力對點之矩，是使物體繞一點轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量。本節(jié)研究的是力對其作用面上的點之矩。如圖2-10中力矩M與力的大小F、矩心到力作用線的垂直距離d、轉(zhuǎn)動方向逆時針有關(guān)。M=F·d。力對任一點的矩，不會因該力沿其作用線移動而改變。力的作用線通過矩心時，力矩為零。平面問題中，力矩是一個代數(shù)量。它的方向是逆時針轉(zhuǎn)向為正，順時針轉(zhuǎn)向為負(fù)。合力矩定理：平面匯交力系的合力對平面內(nèi)任一點的矩，等于所有各分力對同一點的矩的代數(shù)和。圖2-10力矩§2-3力矩和平面力偶系

二、力偶與力偶矩1.力偶力偶是指大小相等、方向相反、作用線相互平行而不重合的兩個力組成的力系。（1）力偶的性質(zhì)性質(zhì)1力偶無合力，力偶不能用一個力來代替。力偶中的兩個力在任何軸上的投影之和恒等于零，說明其主矢量FR=0。力偶不能合成為一個力或用一個力來等效替換；力偶也不能用一個力來平衡。因此，力和力偶是靜力學(xué)的兩個基本要素。性質(zhì)2力偶的兩個力對其作用面內(nèi)任一點之矩的代數(shù)和均等于力偶矩，而與矩心的位置無關(guān)。性質(zhì)3力偶在任何坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和恒為零。（2）力偶的表示方法。力的大小和力偶臂都不是力偶的特征量，只有力偶矩才是力偶作用效應(yīng)的惟一量度。所以，常用圖2-13所示的符號表示力偶。圖2-13力偶§2-3力矩和平面力偶系2.力偶矩力偶矩是度量力偶對物體轉(zhuǎn)動效應(yīng)的物理量。由圖2-14有：力偶的兩個力對其作用面內(nèi)任一點之矩的代數(shù)和，其大小恒等于力的大小與力偶臂的乘積，而與矩心的位置無關(guān)；其正、負(fù)號與力偶的轉(zhuǎn)向有關(guān)?？梢?，平面力偶的力偶矩也是一個代數(shù)量。平面力偶系可合成為一個合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩的代數(shù)和，即M=∑Mi。3.力偶的等效同一平面上的兩力偶等效的條件是力偶矩大小相等，轉(zhuǎn)向相同。力偶的等效條件，有如下重要性質(zhì)：（1）只要力偶矩保持不變，可同時改變力的大小和力偶臂的長度，而不改變力偶對剛體的作用效應(yīng)。（2）只要力偶矩保持不變，可將力偶在其作用面內(nèi)任意移轉(zhuǎn)，而不改變力偶對剛體的作用效應(yīng)。平面力偶對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)僅取決于力偶矩。圖2-14§2-4約束與約束力

一、約束與約束力如果一個物體不受任何限制，可以在空間中自由運動，則此物體稱為自由體；反之，如一個物體受到一定的限制，使其在空間中沿某些方向的運動成為不可能（例如繩子懸掛的物體），則此物體稱為非自由體。在力學(xué)中，把這種事先對于物體的運動（位置和速度）所施加的限制條件稱為約束。約束是以物體相互接觸的方式構(gòu)成的，構(gòu)成約束的周圍物體稱為約束體。約束體阻礙物體的自由運動，改變了物體的運動狀態(tài)，因此約束體必須承受物體的作用力，同時給予物體以等值、反向的作用力，這種力稱為約束反力或約束力。約束力取決于約束本身的性質(zhì)、主動力和物體的運動狀態(tài)。約束力阻止物體運動的作用是通過約束體與物體間相互接觸來實現(xiàn)的，因此它的作用點應(yīng)在相互接觸處，約束反力的方向總是與約束體所能阻止的運動方向相反，這是我們確定約束反力方向的準(zhǔn)則。二、常見的約束類型我們將工程中常見的約束理想化，歸納為幾種基本類型，并根據(jù)各種約束的特性分別說明其反力的表示方法?！?-4約束與約束力

1.光滑接觸表面約束兩物體以點、線、面接觸，略去接觸處的摩擦，所形成的約束稱為光滑接觸表面約束，這類約束不能限制物體沿約束表面切線的位移，只能阻礙物體沿接觸表面的公法線并向約束內(nèi)部的位移。約束力作用在接觸點，方向沿接觸表面的公法線并指向受力物體。如圖2-15所示，這種約束反力稱為法向反力，用FN表示。圖2-15光滑接觸表面約束2.柔性約束由柔軟的繩索、鏈條等構(gòu)成的約束（假設(shè)其不可伸長）稱為柔性約束。其約束力為拉力，作用在接觸點，方向沿繩索背離物體。鏈條對物體的約束反力，如圖2-16所示。3.固定支座（固定鉸鏈支座的簡稱）約束約束物與被約束物以光滑圓柱面相聯(lián)接，其中一個為約束物，另一個為被約束物，約束物不動時，稱為固定鉸鏈支座，簡稱固定支座。約束力為過接觸點沿徑向的壓力，由于接觸點在圓周上的位置不能預(yù)先確定，因此，通常用兩個相互垂直的分力代替。如圖2-17所示。圖2-16柔性約束圖2-17固定支座約束

§2-4約束與約束力

4.可動支座（可動鉸鏈支座的簡稱）約束可動支座可以用垂直于支承面的一根鏈桿來代替。它為一種復(fù)合約束，約束力的方向與支承面垂直。如圖2-18所示。

5.固定端約束一個桿件的一端完全固定，既不能運動也不能轉(zhuǎn)動，這種約束稱為固定端約束，如圖2-19所示。圖2-18可動支座約束圖2-19固定端約束

§2-4約束與約束力

6.二力體約束工程上常見的二力體是指兩端用光滑鉸鏈與其它構(gòu)件聯(lián)接且不考慮自重的剛桿。二力體又被稱為鏈桿，常被用來作為拉桿或撐桿而形成鏈桿約束，如圖2-20a所示的CD桿。根據(jù)光滑鉸鏈的特性，鏈桿在鉸鏈C、D處受有兩個約束力FC和FD，這兩個約束反力必定分別通過鉸鏈C、D的中心，方向暫不確定?？紤]到CD桿只在FC、FD二力作用下平衡，根據(jù)二力平衡公理，這兩個力必定沿同一直線，且等值、反向。由此可確定FC和FD的作用線應(yīng)沿鉸鏈中心C與D的連線，可能為拉力，如圖2-20b所示，也可能為壓力，如圖2-20c所示。故鏈桿約束也是雙面約束。由此可見，鏈桿為二力桿，鏈桿約束的反力沿鏈桿兩端鉸鏈的連線，指向不能預(yù)先確定，通常假設(shè)鏈桿受拉，如圖2-20b所示。圖2-20二力體約束

§2-5平面受力分析

一、受力分析及受力圖當(dāng)受約束的物體在某些主動力作用下處于平衡，若將其部分或全部的約束除去，代之以相應(yīng)的約束反力，則物體的平衡不受影響。這一原理稱為解除約束原理。解決力學(xué)問題時，首先要選定研究對象，然后根據(jù)已知條件、約束類型并結(jié)合基本概念和公理分析它的受力情況，這個過程稱為物體的受力分析。根據(jù)解除約束原理，將作用于研究對象的所有約束力和主動力在計算簡圖上畫出來，這種計算簡圖稱為研究對象的受力圖。如圖2-21所示。正確地畫出受力圖，是求解靜力學(xué)問題的關(guān)鍵。畫受力圖時，應(yīng)按下述步驟進(jìn)行：（1）根據(jù)題意選取研究對象；（2）畫作用于研究對象上的主動力；（3）畫約束反力。注意二力桿的判斷。有些情況也可應(yīng)用三力平衡匯交定理判斷出鉸鏈處約束反力的方向。圖2-21受力分析§2-5平面受力分析畫受力圖時，要注意以下幾點：（1）不要漏畫力。除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機(jī)械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，力的方向由約束類型而定。（2）不要多畫力。要注意力是物體之間的相互機(jī)械作用，因此，對于受力體所受的每一個力，都應(yīng)能明確地指出它是哪一個施力體施加的。（3）不要畫錯力的方向。（4）受力圖上不能再帶約束，一定要畫在分離體上。（5）受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。（6）同一系統(tǒng)各研究對象的受力圖必須整體與局部一致，相互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。（7）正確判斷是否為二力構(gòu)件。二、平面力系的簡化對平面力系進(jìn)行簡化時，一般利用力系向一點簡化的方法，這種方法較為簡便而且具有普遍性。它的理論基礎(chǔ)是力的平移定理。§2-5平面受力分析1.力的平移定理定理作用在剛體上某點A的力F可平行移到任一點B，平移時需附加一個力偶，才能與原來力的作用等效。附加力偶的力偶矩等于力F對平移點B之矩。2.應(yīng)用一個力可等效于一個力和一個力偶，或者說一個力可分解為作用在同一平面內(nèi)的一個力和一個力偶。反過來，根據(jù)力的平移定理，可證明其逆定理也成立，即同一平面內(nèi)的一個力和一個力偶可合成一個力。力的平移定理既是復(fù)雜力系簡化的理論依據(jù)，也是分析力對物體作用效應(yīng)的重要方法。如圖2-24a所示，力F作用線通過球中心C時，球向右移動，如果力F作用線偏離球中心，如圖2-24b所示，根據(jù)力的平移定理，力F向點C簡化的結(jié)果為一個力F′和一個力偶M，這個力偶使球產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，因此球既向右移動，又作轉(zhuǎn)動。乒乓球運動員用球拍打乒乓球時，之所以能打出“旋球”，就是根據(jù)這個原理?！?-5平面受力分析3.平面力系向一點簡化平面力系向一點簡化的思想方法是應(yīng)用力的平移定理，將平面力系分解成兩個力系：平面匯交力系和平面力偶系，然后，再將兩個力系分別合成。三、平面受力的平衡方程及應(yīng)用1.平面力系的平衡條件平面力系平衡的充分必要條件是：力系中各力在兩個任選的坐標(biāo)軸上的投影的代數(shù)和分別等于零，且各力對于任一點之矩的代數(shù)和也等于零。2.平衡方程的三種形式（1）基本形式平面力系平衡方程的第一種形式為式(2-1)表示的基本形式，也稱為一力矩形式?！艶x=0∑Fy=0∑M0（F）=0(2-1)§2-5平面受力分析由于平面力系的簡化中心是任意選取的，因此在求解平面力系的平衡問題時，可取不同的矩心，列出不同的矩方程，用矩方程代替投影方程進(jìn)行求解往往比較簡便。（2）二力矩形式第二種形式為三個平衡方程中有兩個力矩方程，即：∑MA(F)=0∑MB(F)=0∑Fx=0(2-2)其中x軸不得垂直于A、B兩點的連線。式(2-2)為平衡方程的二力矩形式。（3）三力矩形式第三種形式為三個平衡方程均為力矩方程，即：∑MA（F）=0∑MB（F）=0∑MC（F）=0(2-3)其中A、B、C三點不得共線。式(2-3)為平衡方程的三力矩形式?！?-5平面受力分析平面力系有三個獨立的平衡方程，能求解三個未知量。平衡方程的三種形式是等價的，它們都可用來求解平面力系的平衡問題。在實際應(yīng)用時，需根據(jù)具體情況選用，力求使一個方程只包含一個未知量，以減少解聯(lián)立方程的麻煩。3.三種平面特殊力系的平衡方程由平面力系的平衡方程容易得到下面三種平面特殊力系的平衡方程。圖2-26（1）平面匯交力系的平衡方程。如圖2-26a所示，假設(shè)平面匯交力系匯交點為O，若取O點為矩心，則方程∑MO(F)=0自然滿足。因此，平面匯交力系的平衡方程只有兩個，即：∑Fx=0∑Fy=0§2-5平面受力分析

（2）平面平行力系的平衡方程。如圖2-26b所示，建立直角坐標(biāo)系，并使y軸與各力平行，則方程∑Fx=0自然滿足，因此，平面平行力系的平衡方程也只有兩個，即：∑Fy=0∑MO(F)=0（3）平面力偶系的平衡方程。對于平面力偶系，如圖2-26c所示，方程∑Fx=0，∑Fy=0自然滿足，因此，平面力偶系的平衡方程只有一個，即：∑MO(F)=∑M=0第三章材料力學(xué)

§3-1材料力學(xué)概述一、材料力學(xué)的研究內(nèi)容材料力學(xué)的研究內(nèi)容包括兩大部分：一部分是材料的力學(xué)性能(或機(jī)械性能)；另一部分是桿件的力學(xué)分析。在材料力學(xué)中，桿件按照受力和變形可分為拉桿、壓桿、受彎曲的梁和受扭轉(zhuǎn)的軸等幾大類。桿中的內(nèi)力有軸力、剪力、彎矩和扭矩。桿的變形可分為軸向拉壓變形、剪切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形。處理具體的桿件問題時，根據(jù)材料性質(zhì)和變形情況的不同，將問題分為線性問題、幾何非線性問題和物理非線性問題3類。二、材料力學(xué)的研究方法材料力學(xué)研究中，一般將材料抽象為可變形固體。對于可變形固體，引入連續(xù)性假設(shè)和均勻性假設(shè)。連續(xù)性假設(shè)指材料是密實的，在其整個體積內(nèi)毫無空隙。均勻性假設(shè)指從材料中取出的任何一個部分，不論體積如何，在力學(xué)性能上是完全一樣的。對構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析時，首先求出構(gòu)件在外力作用下各截面上的內(nèi)力。其次，求得構(gòu)件中的應(yīng)力和構(gòu)件的變形。對此，單靠靜力學(xué)的方法不夠，還需要研究構(gòu)件在變形后的幾何關(guān)系，以及材料在外力作用下變形和力之間的物理關(guān)系。根據(jù)幾何關(guān)系、物理關(guān)系及平衡關(guān)系，可以得到物體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。把它們和材料的允許應(yīng)力和允許變形作比較，即可判斷此物體的強(qiáng)度是否符合預(yù)定要求?！?-2拉伸與壓縮一、拉伸與壓縮的概念和實例1.拉伸與壓縮的概念把桿件作為等截面直桿，當(dāng)桿件在其兩端受到等值、反向、作用線與桿件的軸線相重合的一對力（F，-F）作用時，桿件將沿軸線方向發(fā)生伸長或縮短變形，此類變形稱為軸向拉伸或壓縮。軸向拉伸與壓縮的受力特點是作用在直桿上的兩個力大小相等，方向相反，作用線與桿件的軸線相重合，其變形特點是桿件產(chǎn)生沿軸線方向的伸長或縮短。2.軸向拉伸與壓縮的實例（1）內(nèi)燃機(jī)的連桿；（2）起吊重物用的鋼索；（3）汽缸的聯(lián)接螺栓；（4）桁架的桿件圖3-2內(nèi)燃機(jī)的連桿圖3-3起吊重物用的鋼索圖3-4汽缸的聯(lián)接螺栓圖3-5桁架的桿件§3-2拉伸與壓縮

二、拉伸（壓縮）的內(nèi)力、應(yīng)力1.內(nèi)力的概念桿件在外力作用下產(chǎn)生變形，其內(nèi)部的一部分對另一部分的作用力稱為內(nèi)力。材料力學(xué)中的內(nèi)力，是指外力作用下材料反抗變形而引起的內(nèi)力的變化量，也就是“附加內(nèi)力”，它與構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度密切相關(guān)。2.截面法截面法是指假想用截面把構(gòu)件分成兩部分，以顯示并確定內(nèi)力的方法。（1）截面的兩側(cè)必定出現(xiàn)大小相等，方向相反的內(nèi)力；（2）被假想截開的任一部分上的內(nèi)力必定與外力相平衡。合力FN的作用線與桿的軸線重合稱為軸力。習(xí)慣上根據(jù)桿件變形規(guī)定軸力的符號，把拉伸時的軸力作為正值，壓縮時的軸力作為負(fù)值。綜上所述，截面法可歸納為4個字：（1)截：欲求某一橫截面的內(nèi)力，沿該截面將構(gòu)件假想地截成兩部分。（2)?。喝∑渲腥我獠糠譃檠芯繉ο?。（3)代：用作用于截面上的內(nèi)力，代替棄去部分對留下部分的作用力。（4)平：根據(jù)研究對象的平衡條件，建立平衡方程，以確定未知內(nèi)力的大小和方向?！?-2拉伸與壓縮

3.拉伸（壓縮）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線材料的機(jī)械性質(zhì)（或力學(xué)性質(zhì)）是指材料從開始受力直至破壞的全過程中所呈現(xiàn)的受力和變形間的各種特征，它們是材料固有的屬性，通過試驗進(jìn)行測定。常溫（室溫）、靜載荷下的拉伸（壓縮）試驗是較基本的一種，靜載荷是指加載速度平穩(wěn)、載荷緩慢逐漸增減。（1）應(yīng)力與變形應(yīng)力即單位面積上的內(nèi)力，表示某微截面積ΔA→O處m點內(nèi)力的密集程度。通常把應(yīng)力P分解成垂直于截面的分量σ和切于截面的分量τ，σ稱為正應(yīng)力，τ稱為剪應(yīng)力。在外載荷的作用下，構(gòu)件的形狀或尺寸發(fā)生變化稱為變形。應(yīng)力的國際單位為N/m2，且1N/m2=1Pa，1GPa=1GN/m2=109Pa，1MN/m2=1MPa=106N/m2=106Pa。工程上也用kgf/cm2為應(yīng)力單位，它與國際單位的換算關(guān)系為1kgf/cm2=0.1MPa。§3-2拉伸與壓縮（2）低碳鋼的拉伸。試驗時，試件在受到緩慢施加的拉力作用下，試件逐漸被拉長（伸長量用Δl來表示）直到把試件拉斷，試驗機(jī)的繪圖裝置會把試件所受的拉力F和試件的伸長量Δl之間的關(guān)系自動記錄下來，繪出一條F-Δl曲線，稱為拉伸圖。研究拉伸圖，并測定材料力學(xué)性能的各項指標(biāo)。

圖3-8低碳鋼拉伸曲線如圖3-8所示。低碳鋼拉伸變形過程分為以下4個階段。①彈性階段（第Ⅰ階段）。試件受力以后，長度增加，產(chǎn)生變形，這時如將外力卸去，試件工作段的變形可以消失，恢復(fù)原狀，變形為彈性變形。因此，第Ⅰ階段稱為彈性階段。低碳鋼試件在彈性變形階段的大部分范圍內(nèi)，外力與變形之間成正比，拉伸圖呈直線。②屈服階段（第Ⅱ階段）。彈性變形階段以后，試件的伸長顯著增加，但外力卻滯留在很小的范圍內(nèi)上下波動。這時低碳鋼似乎失去了對變形的抵抗能力，外力不需增加，變形卻繼續(xù)增大，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動。因此，第Ⅱ階段稱為屈服階段或流動階段。屈服階段中拉力波動的最低值稱為屈服載荷，用Fs表示。在屈服階段中，試件的表面上呈現(xiàn)出與軸線大致成45°的條紋線，這種條紋線是因材料沿著最大切應(yīng)力面滑移而形成的，通常稱為滑移線?！?-2拉伸與壓縮

③強(qiáng)化階段（第Ⅲ階段）。過了屈服階段以后，繼續(xù)增加變形，需要加大外力，試件對變形的抵抗能力又獲得增強(qiáng)。因此，第Ⅲ階段稱為強(qiáng)化階段。強(qiáng)化階段中，力與變形之間不再成正比，呈現(xiàn)著非線性的關(guān)系。④局部變形階段（第Ⅳ階段）。當(dāng)拉力繼續(xù)增大到某一確定數(shù)值時，試件某處突然開始逐漸局部變細(xì)，形同細(xì)頸，稱頸縮現(xiàn)象。頸縮出現(xiàn)以后，變形主要集中在細(xì)頸附近的局部區(qū)域。因此，第Ⅳ階段稱為局部變形階段。局部變形階段后期，頸縮處的橫截面面積急劇減少，試件所能承受的拉力迅速降低，最后在頸縮處被拉斷。圖3-9若用d1及l(fā)1分別表示斷裂后頸縮處的最小直徑及斷裂后試件工作段的長度，則d1及l(fā)1與試件初始直徑d0及工作段初始長度l0相比，均有很大差別。頸縮出現(xiàn)前，試件所能承受的拉力最大值，稱為最大載荷，用F

表示。圖3-9（3）鑄鐵的拉伸。在金屬材料中，灰鑄鐵（簡稱鑄鐵）是一種典型的脆性材料。圖3-9為鑄鐵拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變圖。由圖可見，鑄鐵拉伸時，沒有屈服階段，也沒有頸縮現(xiàn)象，而且拉伸時強(qiáng)度極限σb的值較低。鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變圖沒有明顯的直線段。當(dāng)σ-ε曲線的曲率很小時，常以直線代替曲線。直線的斜率稱為彈性模量，用“E”表示，拉斷時的最大應(yīng)力σb為材料的強(qiáng)度極限。由于鑄鐵的抗拉強(qiáng)度很低，不宜選做承受拉力的構(gòu)件?！?-2拉伸與壓縮(4)低碳鋼和鑄鐵的壓縮。材料在壓縮時的機(jī)械性質(zhì)也是通過試驗測得的。做壓縮試驗時，常把材料加工成短柱狀試件，一般金屬材料的壓縮試件其長度與直徑之比在1.0～3.0之間（若比值太大，試件在破壞前易壓彎失穩(wěn)），將材料壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪在一起作比較，了解材料在壓縮時的機(jī)械性質(zhì)。4.拉伸與壓縮的強(qiáng)度計算要保證構(gòu)件正常工作，必須使構(gòu)件在載荷作用下構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力不超過材料在拉（壓）時的許用應(yīng)力［σ］，即滿足下列拉（壓）時的強(qiáng)度條件：σmax≤［σ］。通過等截面拉（壓）桿的某一點應(yīng)力分析可知，以橫截面上的正應(yīng)力為最大，σ=FN/A，如軸向同時有幾個外力作用，先應(yīng)對橫截面上的軸力進(jìn)行分析，找出最大軸力FNmax所在的截面（稱為危險截面），則桿的強(qiáng)度條件可寫為：σmax=FNmax/A≤［σ］由上式知，如對截面變化的拉（壓）桿件（如階梯形桿），最大應(yīng)力不僅應(yīng)考慮到軸力為最大值的截面，還應(yīng)考慮橫截面面積為最小的截面?！?-2拉伸與壓縮

5.壓桿穩(wěn)定構(gòu)件除了強(qiáng)度、剛度失效外，還可能發(fā)生穩(wěn)定失效。受軸向壓力的細(xì)長桿，當(dāng)壓力超過一定數(shù)值時，壓桿會由原來的直線平衡形式突然變彎。關(guān)于平衡形式的突然變化，統(tǒng)稱為穩(wěn)定失效，簡稱為失穩(wěn)或彎曲。例如桁架中的壓桿，活塞桿等構(gòu)件都有穩(wěn)定性問題。穩(wěn)定平衡：當(dāng)壓力P小于某一臨界值時，桿件受到微小干擾，偏離直線平衡位置，當(dāng)干擾撤除后，桿件又回到原來的直線平衡位置，桿件的直線平衡形式是穩(wěn)定的。不穩(wěn)定平衡：當(dāng)壓力P超過某一臨界值時，撤除干擾后，桿件不再回到直線平衡位置，而在彎曲形式下保持平衡，這表明原有的直線平衡形式是不穩(wěn)定的。受壓直桿由穩(wěn)定平衡轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定平衡時所受的軸向壓力，稱為臨界載荷，簡稱為臨界力Fcr。壓桿是以臨界力作為其極限承載能力。當(dāng)壓桿所受的軸向壓力F達(dá)到臨界力Fcr時，其直線形態(tài)的平衡開始喪失，我們稱壓桿喪失了穩(wěn)定性，簡稱失穩(wěn)。研究壓桿穩(wěn)定性的關(guān)鍵是尋求其臨界力的值。三、許用應(yīng)力和安全系數(shù)當(dāng)材料受到拉壓作用達(dá)到或超過材料極限應(yīng)力時，材料就會產(chǎn)生塑性變形或斷裂，為保證構(gòu)件安全，必須使構(gòu)件在載荷作用下的最大應(yīng)力低于材料的極限應(yīng)力。極限應(yīng)力降低到一定程度，這個應(yīng)力值稱為材料的許用應(yīng)力。在強(qiáng)度計算中，允許的最大應(yīng)力是極限應(yīng)力除以一個大于1的系數(shù)n，即：［σ］=σs/n式中，n為安全系數(shù)，靜載時塑性材料一般取n=1.2～2.5，對于脆性材料取2～3.5?！?-3剪切與擠壓

一、剪切1.剪切的概念由大小相等、方向相反、相互平行且非?？拷囊粚αλ?，表現(xiàn)為受剪桿件的兩部分沿外力作用方向發(fā)生相對錯動（見圖3-12a）。工程中廣泛應(yīng)用的各種聯(lián)接件，如銷釘、鉚釘和鍵等，在工作時主要發(fā)生剪切變形。2.剪切與剪切應(yīng)力根據(jù)由材料剪切試驗測得的剪切破壞極限載荷，也按此式計算出相應(yīng)的名義極限剪應(yīng)力τu。材料的許用剪應(yīng)力為：［τ］＝τu/n式中，n為安全系數(shù)。剪切強(qiáng)度條件是τ=FQ/A≤［τ］根據(jù)剪切強(qiáng)度條件即可進(jìn)行構(gòu)件的剪切強(qiáng)度計算。其中，關(guān)鍵是正確判定構(gòu)件的危險剪切面，并計算出該剪切面上的剪力FQ。二、擠壓1.擠壓的概念

若擠壓力過大，鋼板孔邊內(nèi)擠壓處可產(chǎn)生塑性變形，這是工程中所不允許的，故考慮構(gòu)件受剪的同時還要考慮擠壓。§3-3剪切與擠壓2.擠壓與擠壓應(yīng)力由擠壓引起的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用σjy表示。擠壓應(yīng)力在擠壓面上的分布規(guī)律十分復(fù)雜，如圖3-12e所示。工程上仍假定擠壓應(yīng)力在擠壓面上是均勻分布的，擠壓應(yīng)力的計算公式為：σjy＝FB/Ajy式中，σjy為擠壓應(yīng)力，MPa；FB為擠壓力，N；Ajy為擠壓面積，mm2。圖3-12要使構(gòu)件安全可靠地工作，則構(gòu)件的擠壓應(yīng)力不能超過材料的許用擠壓應(yīng)力［σjy］，故擠壓強(qiáng)度條件為：σjy=FB/Ajy≤［σjy］，［σjy］表示材料的許用擠壓應(yīng)力。若相互擠壓的兩物體是兩種不同的材料，則只需對強(qiáng)度較弱的物體校核擠壓強(qiáng)度即可。對于受剪構(gòu)件的強(qiáng)度計算，必須既滿足剪切強(qiáng)度條件又滿足擠壓強(qiáng)度條件，構(gòu)件才能安全工作?！?-4圓軸的扭轉(zhuǎn)

一、扭轉(zhuǎn)的概念扭轉(zhuǎn)是指由大小相等、轉(zhuǎn)向相反、作用面都垂直于桿軸的一對力偶所引起，表現(xiàn)為桿件的任意兩個橫截面發(fā)生繞軸線的相對轉(zhuǎn)動。如機(jī)器中的傳動軸受力后的變形。如果桿件橫截面上只存在扭矩這一個內(nèi)力分量，則這種受力形式稱為純扭轉(zhuǎn)。二、圓軸扭轉(zhuǎn)的外力矩計算在分析軸的受力情況時，齒輪、傳動鏈條和皮帶的圓周力對輪心的力矩就是使軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的外力矩。工程上遇到的傳動軸，通常不直接給出外力矩M的數(shù)值，而是已知軸的轉(zhuǎn)速n和所傳遞的功率N。由功率和轉(zhuǎn)數(shù)可計算出外力矩的大小。由理論力學(xué)可知，力偶在相對角位移上作功，其功率N=M·ω。實際應(yīng)用中，功率的單位為kW,轉(zhuǎn)速n的單位為r/min，即：N×103=M·2πn/60則：M=9.55×103N/n主動輪的輸入功率產(chǎn)生的力偶矩轉(zhuǎn)向與軸的轉(zhuǎn)向相同，從動輪的輸出功率產(chǎn)生的力偶矩轉(zhuǎn)向與軸的轉(zhuǎn)向相反。三、扭矩計算1.內(nèi)力大小扭轉(zhuǎn)時，圓軸在外力矩的作用下勻速轉(zhuǎn)動，橫截面上必有內(nèi)力偶矩存在，這個內(nèi)力偶矩叫做扭矩。扭矩的大小和性質(zhì)用截面法分析。扭矩的大小等于截面一側(cè)上外力矩的代數(shù)和。求出外力偶矩M后，用截面法求出內(nèi)力。由∑Mx=0，從而可得A-A截面上扭矩MT。MT-M=0，MT=M?！?-4圓軸的扭轉(zhuǎn)2.符號規(guī)定按右手螺旋法則，四指方向與截面力偶方向一致，則拇指所指的方向為扭矩的方向，矢量與橫截面外法線方向一致為正，反之為負(fù)。四、圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分析圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力與其變形有關(guān)，先觀察變形，如圖3-13所示。

1.扭轉(zhuǎn)的假設(shè)圖3-13小變形情況下，各圓周線的形狀、大小及圓周線之間的距離均無變化，各圓周線繞軸線轉(zhuǎn)動了不同的角度。而且所有縱向線仍近似地為直線，只是同時傾斜了同一角度。扭轉(zhuǎn)變形的平面假設(shè)：圓軸扭轉(zhuǎn)時，橫截面保持平面，并且只在原地發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動。在平面假設(shè)的基礎(chǔ)上，扭轉(zhuǎn)變形可以看作是各橫截面像剛性平面一樣，繞軸線作相對轉(zhuǎn)動，可以得出如下兩點結(jié)論：（1）扭轉(zhuǎn)時，由于圓軸相鄰橫截面間的距離不變，即圓軸沒有縱向變形發(fā)生，所以橫截面上沒有正應(yīng)力。（2）扭轉(zhuǎn)時，各縱向線同時傾斜了相同的角度；各橫截面繞軸線轉(zhuǎn)動了不同的角度，相鄰截面產(chǎn)生了相對轉(zhuǎn)動并相互錯動，發(fā)生了剪切變形，所以橫截面上有切應(yīng)力?！?-4圓軸的扭轉(zhuǎn)

2.切應(yīng)力的分布及計算圖3-14切應(yīng)力的分布規(guī)律如圖3-14所示，圓軸截面上任一點的切應(yīng)力的計算公式為：τρ=MT·ρ/Iρ式中，τρ為橫截面上任一點的切應(yīng)力（MPa）；MT為橫截面上的扭矩（N/mm）；ρ為欲求應(yīng)力的點到圓心的距離（mm）；Iρ為截面對圓心的極慣性矩（mm4）。圓軸扭轉(zhuǎn)時，橫截面邊緣上各點的切應(yīng)力最大(ρ=R)，其值τmax的計算公式為：τmax=MT/Wt式中，Wt為抗扭截面系數(shù)（mm3）。極慣性矩與抗扭截面系數(shù)表示了截面的幾何性質(zhì)，其大小與截面的形狀和尺寸有關(guān)。對于實心軸（直徑為D）、空心軸（外徑為D，內(nèi)徑為d，α＝d/D），極慣性矩與抗扭截面系數(shù)分別為：實心軸Wt=πD3/16Ip＝πD4/32≈0.1D4空心軸Wt=πD3（1-α4）/16，α=d/DIp=πD4/32-πd4/32=πD4/32(1-α4)≈0.1D4(1-α4)§3-4圓軸的扭轉(zhuǎn)五、圓軸抗扭強(qiáng)度條件為了保證圓軸扭轉(zhuǎn)時具有足夠的強(qiáng)度，必須限制軸內(nèi)橫截面上的最大剪應(yīng)力不超過軸的許用剪應(yīng)力，即滿足下列強(qiáng)度條件：τmax=MTmax/Wt≤［τ］。六、提高抗扭能力的方法工程中，圓軸的強(qiáng)度越高，抗扭能力越強(qiáng)。因此，要提高圓軸的強(qiáng)度，需從以下兩個方面來考慮：1.選用合理截面，提高軸的抗扭截面系數(shù)Wt2.合理安排受力情況，降低最大扭矩MTmax§3-5直梁的彎曲一、彎曲的概念梁的每一個橫截面至少有一根對稱軸，這些對稱軸構(gòu)成對稱面。所有外力都作用在其對稱面內(nèi)時，梁彎曲變形后的軸線將是位于這個對稱面內(nèi)的一條曲線，這種彎曲形式稱為對稱彎曲。對稱彎曲是彎曲問題中最常見的情況。二、梁的基本形式梁的支承和受力很復(fù)雜，在計算中常常把梁簡化為3種典型的形式：（1）簡支梁。一端為固定鉸支座，而另一端為可動鉸支座的梁，如圖3-16a所示。（2）懸臂梁。一端為固定端，另一端為自由端的梁，如圖3-16b所示。（3）外伸梁。簡支梁的一端或兩端伸出支座之外的梁，如圖3-16c所示。

§3-5直梁的彎曲

1.剪力和彎矩梁發(fā)生彎曲變形時，橫截面上同時存在著兩種內(nèi)力——剪力和彎距。剪力是指作用線切于截面，通過截面形心并在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的內(nèi)力。彎矩是位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的內(nèi)力。剪切彎曲是橫截面上既有剪力又有彎矩的彎曲。純彎曲是梁的橫截面上只有彎矩而沒有剪力的彎曲。工程上一般梁（跨度L與橫截面高度h之比L/h＞5），其剪力對強(qiáng)度和剛度的影