機(jī)械基礎(chǔ)（少學(xué)時第3版） 課件匯 曾德江 第1-8單元 機(jī)械的認(rèn)知 -間歇機(jī)構(gòu)

第1單元機(jī)械的認(rèn)知

項目背景

圖1-1所示自動組裝機(jī)是由可編程序控制器進(jìn)行控制的，可進(jìn)行安全檢測、質(zhì)量檢驗、自動計數(shù)

的六工位組裝機(jī)。可以根據(jù)需要設(shè)計相應(yīng)的夾具及工裝，利用它代替人完成產(chǎn)品的裝配任務(wù)。本單元通過對此案例的分析得出機(jī)器的共同特征，引出機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件與零件等與機(jī)械相關(guān)的基本概念，并介紹學(xué)習(xí)本課程所應(yīng)掌握的知識點。第1單元機(jī)械的認(rèn)知本課程的研究內(nèi)容、性質(zhì)及任務(wù)本課程的研究對象本課程的學(xué)習(xí)方法思考與訓(xùn)練內(nèi)容CONTENTS第1單元機(jī)械的認(rèn)知

知識目標(biāo)

1.理解本課程的研究對象和內(nèi)容、機(jī)械設(shè)計的基本要求和一般過程。2.掌握機(jī)器、機(jī)構(gòu)及機(jī)械等概念，以及機(jī)器和機(jī)構(gòu)的用途及區(qū)別。

1.能明確課程研究的對象和內(nèi)容、機(jī)械設(shè)計的基本要求和一般過程。

2.具有識別機(jī)器和機(jī)構(gòu)，判斷其用途及區(qū)別的能力。

能力目標(biāo)第1單元機(jī)械的認(rèn)知

素質(zhì)目標(biāo)

1.養(yǎng)成機(jī)械傳動應(yīng)用的科學(xué)思維方式。。2.學(xué)習(xí)中外機(jī)械發(fā)展史，樹立文化自信與科技報

國的愛國情懷。

1.機(jī)器的組成及其特征。2.機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件及零件等概念。

學(xué)習(xí)重點和難點1.1本課程的研究對象

1.本課程的研究對象是機(jī)械。機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。

2.機(jī)械發(fā)展歷史：

1）我國古代在機(jī)械研制方面有許多杰出的發(fā)明創(chuàng)造。水排鼓風(fēng)煉鐵水運儀象臺1.1本課程的研究對象

2）18世紀(jì)初以蒸汽機(jī)的出現(xiàn)為代表產(chǎn)生了第一次產(chǎn)業(yè)革命，人們開始設(shè)計制造各種各樣的機(jī)械，例如紡織機(jī)、火車、汽輪船。珍妮紡織機(jī)法國陸軍技術(shù)軍官古諾發(fā)明世界上第一輛蒸汽動力車

1.1本課程的研究對象

3）19世紀(jì)到20世紀(jì)初的第二次產(chǎn)業(yè)革命，隨著內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，促進(jìn)了汽車、飛機(jī)等運輸工具的出現(xiàn)和發(fā)展?！笆ヂ芬姿咕瘛碧栵w機(jī)1886年發(fā)明的世界上第一輛汽車1.1本課程的研究對象

4）20世紀(jì)中后期，以機(jī)電一體化技術(shù)為代表，在機(jī)器人、航空航天，海洋艦船等領(lǐng)域開發(fā)出了眾多高新機(jī)械產(chǎn)品。利用機(jī)械臂施放哈勃空間望遠(yuǎn)鏡月球車1.1本課程的研究對象

5）進(jìn)入21世紀(jì)后，智能機(jī)械、微型機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)械的蓬勃發(fā)展，將促進(jìn)人工智能、綠色制造、無人控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)、自動化和智能化技術(shù)等領(lǐng)域的交叉與融合，并進(jìn)一步豐富和發(fā)展機(jī)械學(xué)科知識。中國空間站中國空間站天和機(jī)械手1.1本課程的研究對象

3.基本概念

1）機(jī)器：具備三個特征

（1）它們是許多人為實物的組合；

（2）各實物之間具有確定的相對運動；

（3）能代替或減輕人類的勞動，以完

成有效的機(jī)械功，或進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

1—曲軸2—連桿3—活塞4—缸體5—凸輪6—推桿7—擺桿8—閥門桿圖1-1飛機(jī)發(fā)動機(jī)1.1本課程的研究對象

2）機(jī)器的組成

（1）動力部分；（2）執(zhí)行部分（又稱為工作部分）；（3）傳動部分

（4）操縱部分和控制部分；（5）框架支撐部分

1.1本課程的研究對象

3）機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)只具有機(jī)器的前兩個特征，機(jī)構(gòu)的作用是傳遞運動和轉(zhuǎn)換動力。

機(jī)械:機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。

4）構(gòu)件：是機(jī)構(gòu)中的運動單元。

5）零件：是機(jī)構(gòu)的制造單元。內(nèi)燃機(jī)連桿自行車

1.1本課程的研究對象

6）通用零件：在各種機(jī)器中都能用到的零件。標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)接件滾動軸承結(jié)構(gòu)1.1本課程的研究對象

7）專用零件：在特定類型的機(jī)器中才能用到的零件。風(fēng)扇葉輪曲軸飛輪組1.2本課程的研究性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)

7）專用零件：在特定類型的機(jī)器中才能用到的零件。風(fēng)扇葉輪曲軸飛輪組模塊1機(jī)械的認(rèn)知模塊2機(jī)械工程材料的分析與應(yīng)用模塊3工程構(gòu)件的承載分析模塊5聯(lián)接與軸系零件部件模塊4常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動分析與應(yīng)用1.2本課程的研究性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)

1.本課程的研究內(nèi)容：5個模塊，16個單元1.2本課程的研究性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)

2.本課程的性質(zhì)本課程是一門理論性和實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)或解決工程實際問題的必備基礎(chǔ)，是機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)的骨干基礎(chǔ)課。

1.2本課程的研究性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)

3.本課程的任務(wù)1)掌握常用工程材料的性能、用途及選用原則。2)初步掌握分析解決工程實際中簡單力學(xué)問題的方法，并能對工程構(gòu)件進(jìn)行受力分析與簡單承載能力分析。3)掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零件的基本知識、基本理論和基本技能，掌握一般機(jī)械傳動裝置、機(jī)械零件的選用方法。4)初步具有選用常用機(jī)構(gòu)和通用零件的能力以及使用和維護(hù)一般機(jī)械的能力，達(dá)到對學(xué)生進(jìn)行基本技能的訓(xùn)練。例如：計算、繪圖、熟悉和運用設(shè)計資料（手冊、標(biāo)準(zhǔn)、圖冊和規(guī)范等）的能力。

1.3本課程的學(xué)習(xí)方法

鑒于本課程的特點，建議在學(xué)習(xí)這門課程時應(yīng)注重以下幾點：

1)要學(xué)會綜合應(yīng)用金工實習(xí)、機(jī)械制圖、互換性與測量技術(shù)等課程的基本知識，并注重本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與先前學(xué)習(xí)課程的融會貫通。

2)課程不同學(xué)習(xí)單元，雖然所涉及研究對象的理論基礎(chǔ)不同，但其最終目的都是培養(yǎng)學(xué)生具有簡單分析和解決工程實際問題的能力。

3)由于工程實際的問題很復(fù)雜，很難用純理論的方法來解決，因此常常采用經(jīng)驗公式或簡化模型代替。

4)工程案例的計算步驟和計算結(jié)果常常不像基礎(chǔ)課那樣具有唯一性。

5)在學(xué)習(xí)過程中，還應(yīng)注重將生活內(nèi)容與學(xué)習(xí)內(nèi)容相融合，學(xué)會用生活演繹學(xué)習(xí)。

思考與訓(xùn)練

指出下列機(jī)器的動力部分、傳動部分、控制部分和執(zhí)行部分：1）

自動組裝機(jī)（見圖1-1）；2）汽車；3）數(shù)控車床；4）越野自行車；

5）全自動滾筒洗衣機(jī)；6）智能家用豆?jié){機(jī)。謝謝聆聽！

第2單元

機(jī)械工程材料

項目背景

材料是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。機(jī)械工程材料是指用于制造各類機(jī)械零

件、構(gòu)件的材料和在機(jī)械制

造過程中所應(yīng)用的工藝材

料。近幾年新材料和新工藝

廣泛應(yīng)用在國防、航天、軍事等領(lǐng)域，國家綜合實力得到極大提高。通過本單元的學(xué)習(xí)，應(yīng)了解機(jī)械工程中常用的材料有哪些，有哪些熱處理工

藝，如何根據(jù)使用要求選用合適的材料。圖2-1某汽車主要零部件應(yīng)用的材料第2單元機(jī)械工程材料

鋼鐵材料及應(yīng)用金屬材料的性能非鐵金屬和粉末冶金材料金屬材料的熱處理及應(yīng)用內(nèi)容CONTENTS常用非金屬材料思考與練習(xí)第2單元機(jī)械工程材料

知識目標(biāo)

1.熟悉常用鋼鐵材料、非鐵金屬、粉末冶金等材料的牌號、種類、性能、用途及選用。

2.了解常用金屬材料的熱處理工藝、特點及應(yīng)用。3.熟悉高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料的種類、性能、用途。

1.能識別機(jī)械行業(yè)常用金屬及非金屬材料，并能識讀常用材料的牌號。

2.能依據(jù)機(jī)械零件的工作要求選用合適的材料。

能力目標(biāo)第2單元機(jī)械工程材料

素質(zhì)目標(biāo)

1.強(qiáng)化工程材料國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的嚴(yán)謹(jǐn)性與規(guī)范性。

2.培養(yǎng)工程思維與工程安全意識。

1.各種碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金

鋼的分類、牌號表示及其熱

處理工藝的選用。2.常見非金屬材料的性能

及選用方法。

學(xué)習(xí)重點和難點2.1金屬材料的性能

金屬材料是目前應(yīng)用最廣泛的材料，常用的金屬材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、非鐵金屬及合金、金屬粉末冶金材料。

金屬材料之所以能大量應(yīng)用在各行各業(yè)中，是由于金屬材料比其他種類的材料有更好的力學(xué)性能和工藝性能。

水排鼓風(fēng)煉鐵2.1金屬材料的性能2.1.1金屬材料力學(xué)性能

1.強(qiáng)度

強(qiáng)度：是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。

當(dāng)材料在滿足強(qiáng)度的載荷作用范圍內(nèi)是不會發(fā)生破壞，只有當(dāng)材料承受的載荷超過了自身的強(qiáng)度時才會發(fā)生斷裂之類的破壞。車軸斷裂飛機(jī)起落架斷裂

2.1金屬材料的性能

根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。工程常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。相同條件下，材料的強(qiáng)度越高，則構(gòu)件的承載力也就越高。

材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能須通過試驗的方法進(jìn)行測定。此類試驗須按標(biāo)準(zhǔn)（如國家標(biāo)準(zhǔn)、部標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定的方法進(jìn)行。此處重點介紹低碳鋼的拉伸強(qiáng)度測試實驗。拉伸試驗機(jī)2.1金屬材料的性能

為了便于對試驗結(jié)果進(jìn)行比較，試驗時首先要把待測試的材料加工成試樣。我國國家標(biāo)

準(zhǔn)GB/T228.1—2021《金屬材料

拉伸試驗

第1部分：室溫試驗方法》中規(guī)定，拉伸試

樣橫截面可采用圓形（見圖2-4a）、矩形、多邊形或環(huán)形，長度可根據(jù)其橫截面積按規(guī)定比

例或不按比例適當(dāng)選取。按比例選取的試樣規(guī)定有長短兩種規(guī)格。圓形橫截面長比例試樣其

原始標(biāo)距（工作段長度）L0=10d0

，短比例試樣

L0=5d0。金屬材料的壓縮試驗，

一般采用短

圓柱形試樣，其高度為直徑

d0

的1.5～3倍圖2-4標(biāo)準(zhǔn)試樣2.1金屬材料的性能

拉伸試驗機(jī)在試驗過程中可以繪制出施加的載荷與試樣變形的曲線，一般稱為拉伸力-伸長曲線，如圖2-6所示，拉伸力-伸長曲線與試樣尺寸有關(guān)。為了消除尺寸的影響，將拉力除以試樣橫截面的原始面積

S0

，得出試樣橫截面上的正應(yīng)力，用R表示；伸長量ΔL

除以原

始標(biāo)距的長度

L0，得出試樣在工作段內(nèi)的伸長率

e，以R為縱坐標(biāo)、e為橫坐標(biāo)繪出的曲線稱為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2-7所示，它表明從加載開始到破壞為止，應(yīng)力與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系。2.1金屬材料的性能

拉伸實驗機(jī)在實驗過程中可以繪制出施加的載荷與試件變形的線圖分析2.1金屬材料的性能

2.塑性

塑性：是指金屬材料在給定外力的作用下，產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。金屬材料在

拉伸變形時，長度和橫截面積都要發(fā)生變化。因此，金屬的塑性可以用材料的斷后伸長率

A

和斷面收縮率

Z

兩個指標(biāo)來衡量。一般斷后伸長率和斷面收縮率是根據(jù)拉伸試驗的試樣求得的。

2.1金屬材料的性能

2.塑性

(1)斷后伸長率A:試樣拉斷后，工作段的殘余伸長量ΔL=Lu-L0

與標(biāo)距長度

L0

的比值代表試樣拉斷后塑性變形程度，稱為材料的斷后伸長率，用A表示。即

(2)斷面收縮率Z:試樣斷口處橫截面積的相對變化率稱為斷面收縮率，用Z表示，即

2.1金屬材料的性能

金屬材料的伸長率和截面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。工程上通常把常溫、靜載下伸長率大于5%的金屬材料稱為塑性材料，如低碳鋼；而把伸長率小于5%的金屬材料稱為脆性材料，如灰口鑄鐵等。

低碳鋼是一種塑性極好的材料，在汽車制造業(yè)中常用這種材料通過沖裁、拉延、翻邊等壓力加工的方法來加工出汽車的車身覆蓋件。壓力加工汽車覆蓋件2.1金屬材料的性能

3.硬度

硬度：是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力,是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。例如將一個堅硬的鋼球壓入鋼板的表面，就會在鋼板表面留下圓形痕跡，這個痕跡的大小就反映了材料的軟硬程度。硬度是由硬度計測試出來的。硬度測試原理硬度計2.1金屬材料的性能

硬度是由硬度計測試出來的。常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標(biāo)準(zhǔn)有不同的測試方法和應(yīng)用范圍。布氏硬度測試原理洛氏硬度測試原理維氏硬度測試原理2.1金屬材料的性能

硬度是由硬度計測試出來的。常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標(biāo)準(zhǔn)有不同的測試方法和應(yīng)用范圍。表2-2三種硬度試驗簡介和比較2.1金屬材料的性能

4.韌性

韌性表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性可在材料科學(xué)及冶金學(xué)上，韌性是指當(dāng)承受應(yīng)力時對折斷的抵抗，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。

通常以沖擊強(qiáng)度的大小、晶狀斷面率來衡量。韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。衡量材料抗沖擊能力的指標(biāo)用沖擊韌度來表示。沖擊韌度是通過沖擊實驗來測定的。沖擊試驗原理沖擊韌性測試機(jī)2.1金屬材料的性能

5.疲勞性能

許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。由于疲勞不易發(fā)現(xiàn)，所以對安全的影響是極大的。

疲勞性能可以通過疲勞實驗測出，主要設(shè)備為疲勞試驗機(jī)，經(jīng)過試驗可以將實驗數(shù)據(jù)整理成線圖，即為疲勞曲線。疲勞試驗機(jī)疲勞曲線2.1金屬材料的性能

2.1.2金屬材料工藝性能

1.焊接性能

金屬的焊接性能又叫可焊性，一般是指兩塊相同的金屬材料或兩塊不同的金屬材料，在局部加熱到熔融狀態(tài)下，能夠牢固地焊合在一起的性能。焊接性能好的金屬，在焊縫部位不易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，同時焊接接頭具有一定的機(jī)械性能。常用焊接形式2.1金屬材料的性能

2.切削性能

切削加工性能是指金屬材料在用切削刀具進(jìn)行加工時，所表現(xiàn)出來的難易程度。它主要用切削速度、加工表面光潔度和刀具耐用度來衡量。通?；诣T鐵有良好的切削加工性，鋼的硬度在HBWl60-200范圍內(nèi)時，具有良好的切削加工性。常用切削加工方式2.1金屬材料的性能

3.壓力加工性能

壓力加工性能：就是指金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度，例如將材料加熱到一定溫度時其塑性的高低（表現(xiàn)為塑性變形抗力的大?。?，允許熱壓力加工的溫度范圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機(jī)械性能有關(guān)的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導(dǎo)熱性能等。常用壓力成型工藝2.1金屬材料的性能

4.鑄造性能

鑄造性能：就是指反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現(xiàn)為熔化狀態(tài)時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點，鑄件顯微組織的均勻性、致密性，以及冷縮率等。典型鑄造件

基礎(chǔ)能力訓(xùn)練

自行車是常用的交通工具，如圖2-22～圖2-24所示。老式自行車都是用管材焊接而成；

現(xiàn)在使用最多的輕便自行車，為了強(qiáng)度和美觀，還需要對管材彎曲成型加工；山地自行車則是為高速行駛設(shè)計的。試分析這樣三款自行車在選材方面各有哪些性能要求。

圖2-22老式自行車

圖2-23輕便自行車

圖2-24山地賽車2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

案例導(dǎo)入：在日常生活中到處都能看到鋼鐵材料的產(chǎn)品，從生活中的直尺到工程中的扳手，從小到一把瑞士軍刀大到一臺挖掘機(jī)。在這些不同的產(chǎn)品里，所用的鋼鐵材料有什么不同？它們的性能又如何？

常見鋼鐵制品2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

2.2.1工業(yè)用鋼

1.普通碳素鋼

（1）碳素鋼的應(yīng)用與生產(chǎn)

碳素鋼是近代工業(yè)中使用最早、用量最大的基本材料。目前碳素鋼的產(chǎn)量在各國鋼總產(chǎn)量中的比重，約保持在80%左右，它不僅廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵道、車輛、船舶和各種機(jī)械制造工業(yè)。工業(yè)用鋼主要是由冶金廠生產(chǎn)的板材、棒材、型材、管材及線材等。鋼材生產(chǎn)的主要流程是：煉鐵、煉鋼、鑄錠、壓力加工成各種規(guī)格的鋼材。

常用鋼鐵型材2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（２）碳素鋼中的化學(xué)成分及其影響

碳素鋼的性能主要取決于鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態(tài)下，隨含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和沖擊韌性下降。所以工程結(jié)構(gòu)用鋼，常限制含碳量。

碳素鋼中的殘余元素和雜質(zhì)元素如錳、硅、鎳、磷、硫、氧、氮等，對碳素鋼的性能也有影響。這些影響有時互相加強(qiáng)，有時互相抵銷。其中影響比較顯著的有：1)硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性，而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。2)殘余元素除錳、鎳外都降低鋼的沖擊韌性，增加冷脆性。3)除硫和氧降低強(qiáng)度外，其他雜質(zhì)元素均在不同程度上提高鋼的強(qiáng)度。4)幾乎所有的雜質(zhì)元素都能降低鋼的塑性和焊接性。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

圖2-28鋼材生產(chǎn)流程示意圖2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（３）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2008，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號分為四個部分，見表2-3。

表2-3碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）優(yōu)質(zhì)碳素鋼分類與性能

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，硫、磷及其他非金屬夾雜物的含量較低。根據(jù)含碳量和用途的不同，這類鋼大致又分為三類，見表2-4。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2008，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號分為五個部分，見表2-5。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

3.合金結(jié)構(gòu)鋼

（1）合金結(jié)構(gòu)鋼的性能

在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金稱為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに嚕色@得高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。

合金結(jié)構(gòu)鋼的主要合金元素有：硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、

銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強(qiáng)碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在機(jī)械工程材料適當(dāng)條件下，就能形成各自的碳化物，當(dāng)缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，另一部分形

成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，

一般以原子狀態(tài)存在于

固溶體中。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（2）合金結(jié)構(gòu)鋼牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2008，合金結(jié)構(gòu)鋼牌號分為四個部分，如表2-6。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

4.合金工具鋼

（1）合金工具鋼的分類與性能

合金工具鋼是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入鉻、鉬、鎢、

釩等合金元素，以提高淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性的一類鋼種。它主要用于制造量具、

刃具、耐沖擊工具和冷、熱模具及一些特殊用途的工具。通常分為三類，見表2-7。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（2）合金工具鋼牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221—2008，合金工具鋼牌號分為兩個部分，

見表2-8。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

（2）合金工具鋼牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221—2008，合金工具鋼牌號分為兩個部分，

見表2-8。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

課程思政案例1：項目2-2如圖2-32所示，國家體育館“鳥巢”主體鋼架結(jié)構(gòu)所采用的材料是Q460,是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。Q460中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%，并含有錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳、鋁等合金元素，其屈服強(qiáng)度為460MPa。錳起到增加強(qiáng)度的作用，釩、鈦、鈮能優(yōu)化綜合力學(xué)性能，鉻、鎳能提高材料的沖擊韌度，鉻、鎳、鋁能提高鋼的抗腐蝕能力。Q460比一般建筑用鋼的強(qiáng)度要高一倍左右。

請查閱國家游泳中心“水立方”和廣州新電視塔主體鋼架結(jié)構(gòu)采用何種材料，并撰寫一篇調(diào)研建筑鋼架材料使用分析報告。

國家體育館“鳥巢”國家游泳中心“水立方”2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

2.2.2鑄鐵

1.鑄鐵分類與性能

鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以上的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～4%。

碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在，有時也以滲碳體形態(tài)存在。鑄鐵的分類與性能介紹見表2-9。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

2.鑄鐵牌號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5612—2008，鑄鐵牌號的組成有以下三種類型，見表2-10。

2.2鋼鐵材料及應(yīng)用

思考與分析

某設(shè)備使用45鋼加工的齒輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)動力傳遞。假設(shè)某齒輪發(fā)生斷齒，需加工一個同樣參數(shù)的齒輪替換?，F(xiàn)只有灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵三種材料，試分析應(yīng)選用哪一種。

發(fā)生斷齒的齒輪2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

2.3.1鋁和鋁合金

鋼鐵材料雖然有很好的性能，但是還有很多金屬制品不是選用鋼材而是選用了有色金屬，小到鑰匙大到飛機(jī)有色金屬在實際生活和工程中隨處可見。本節(jié)就要介紹常用有色金屬的相關(guān)性能和應(yīng)用。

有色金屬應(yīng)用案例2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

2.3.1鋁和鋁合金

純鋁的密度?。é?2.7g/cm3），大約是鐵的1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材?？垢g性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強(qiáng)度。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值）勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于運輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續(xù)-1）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續(xù)-2）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續(xù)-3）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續(xù)-4）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續(xù)-5）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.2銅和銅合金

銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。純銅呈紫紅色﹐又稱紫銅。純銅密度為8.96﹐熔點為1083℃﹐具有優(yōu)良的導(dǎo)電性﹑導(dǎo)熱性﹑延展性和耐蝕性。主要用于制作發(fā)電機(jī)﹑母線﹑電纜﹑開關(guān)裝置﹑變壓器等電工器材和熱交換器﹑管道﹑太陽能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材。常用的銅合金分為黃銅﹑青銅﹑白銅三大類，如表2-12。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的銅合金分為黃銅﹑青銅﹑白銅三大類，如表2-12。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.3軸承合金

軸承合金又稱軸瓦合金，用于制造滑動軸承的材料。軸承合金的組織是在軟相基體上均勻分布著硬相質(zhì)點，或硬相基體上均勻分布著軟相質(zhì)點。軸承合金具有如下性能：良好的耐磨性能和減磨性能；有一定的抗壓強(qiáng)度和硬度，有足夠的疲勞強(qiáng)度和承載能力；塑性和沖擊韌性良好；具有良好的抗咬合性；良好的順應(yīng)性；好的嵌鑲性；要有良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性和小的熱膨脹系數(shù)。用于各類軸承材料。圖2-36滑動軸承圖2-37汽車軸承2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.4粉末冶金材料

用粉末冶金工藝制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有傳統(tǒng)熔鑄工藝所無法獲得的獨特的化學(xué)組成和物理、力學(xué)性能，如材料的孔隙度可控，材料組織均勻、無宏觀偏析（合金凝固后其截面上不同部位沒有因液態(tài)合金宏觀流動而造成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象），可一次成型等。用粉末冶金工藝制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。

粉末冶金材料具粉末冶金材料有傳統(tǒng)熔鑄工藝所無法獲得獨特的化學(xué)組成和物理、力學(xué)性能，如材料的孔隙度可控，材料組織均勻、無宏觀偏析（合金凝固后其截面上不同部位沒有因液態(tài)合金宏觀流動而造成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象），可一次成型等。通常按用途分為7類，如表2-13。

2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.4金屬材料的熱處理及應(yīng)用

熱處理是對固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的加工方法。

金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。2.4金屬材料的熱處理及應(yīng)用

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。常用熱處理設(shè)備2.4金屬材料的熱處理及應(yīng)用2.4.1金屬材料整體熱處理

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有正火、退火、淬火和回火等基本工藝，見表2-14。2.4金屬材料的熱處理及應(yīng)用

2.4.2金屬材料表面熱處理

1.表面淬火

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種

局部淬火的方法。表面淬火是通過快速加熱，使鋼件表面很快升到淬火的溫度，在熱量

來不及穿到工件心部就立即冷卻，實現(xiàn)局部淬火。

表面淬火的目的在于獲得高硬度、高

耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韌性，常用于齒輪、花鍵、機(jī)床導(dǎo)軌等。常用表面熱處理2.4金屬材料的熱處理及應(yīng)用

2.滲碳淬火

滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程，也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25％)。滲碳后﹐鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度﹐并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。

滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)﹑汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。2.5常用非金屬材料

非金屬材料是由非金屬元素或化合物構(gòu)成的材料。自19世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，人類以天然的礦物、植物、石油等為原

料，制造和合成了許多新型的非金屬材料，如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等。特種陶瓷合成橡膠瓷2.5常用非金屬材料

2.5.1高分子材料

高分子材料是以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按來源分為：天然、半合成和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和進(jìn)化的基礎(chǔ)。人類社會一開始就利用天然高分子材料作為生活資料和生產(chǎn)資料，并掌握了其加工技術(shù)。如利用蠶絲、棉、毛織成織物，用木材、棉、麻造紙等。19世紀(jì)30年代末期，進(jìn)入天然高分子化學(xué)改性階段，出現(xiàn)半合成高分子材料。1907年出現(xiàn)合成高分子酚醛樹脂，標(biāo)志著人類應(yīng)用合成高分子材料的開始?，F(xiàn)代，高分子材料已與金屬材料、無機(jī)非金屬材料相同，成為科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要材料。2.5常用非金屬材料

最常用的高分子材料為塑料和橡膠兩大類，其性能介紹見表2-15。

2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料

2.5.2陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點，可用于制作結(jié)構(gòu)材料、刀具材料。由于陶瓷還具有某些特殊的性能，所以又可作為功能材料。

陶瓷材料分為普通陶瓷材料和特種陶瓷材料兩大類，常用陶瓷材料性能介紹見表2-16。2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料2.5.3復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，將其組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。常用復(fù)合材料性能介紹見表2-17。2.5常用非金屬材料2.5常用非金屬材料思考與訓(xùn)練

項目2-2

某汽車要進(jìn)行輕量化設(shè)計，其中改變材料是一個重要的途徑。將一些原先由鋼鐵材料制造的零件改用有色金屬會顯著減小汽車的重量。試分析，汽車中哪些零件可用有色金屬制造。

思考與訓(xùn)練

【課程思政案例2】項目2-3

中國空軍運-20的出現(xiàn)，使國產(chǎn)飛機(jī)的起飛重量從60t級一步跨越至200t級。

運-20機(jī)身主要由復(fù)合材料制成，包括碳纖維、玻璃纖維和金屬復(fù)合材料。這些材料賦予機(jī)身高強(qiáng)度和耐久性。此外，機(jī)身中也使用了一定比例的鈦合金和鋁合金，這些材料在機(jī)翼

的襟翼中也有應(yīng)用。運-20投入使用標(biāo)志著中國空軍的遠(yuǎn)程機(jī)動能力和戰(zhàn)略投送能力獲得大幅提升。

請查閱國產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身和航天器采用何種碳纖維復(fù)合材料，并撰寫一篇關(guān)于碳纖維復(fù)合材料使用情況的分析報告。中國空軍運20

綜合項目分析

如圖2-1所示，我們可以看到在一輛汽車的制造中用了很多種不同的材料來生產(chǎn)相應(yīng)的零部件。那么為什么會有這么多種材料？根據(jù)什么來選擇材料？為了解答這樣的問題，下面分析一下這些零件對材料的性能要求。

謝謝聆聽！

第3單元

工程構(gòu)件的受力分析

項目背景

在生活或生產(chǎn)中經(jīng)常會見到各種機(jī)器或機(jī)構(gòu)，如果要分析其工作原理或動力傳動路

線，則需分析和判斷各構(gòu)件的受力情況。為了使大家能夠?qū)W會構(gòu)件的受力分析，如圖3-1所示為一工件的夾緊機(jī)構(gòu)，工件能否被夾緊機(jī)構(gòu)夾緊直接關(guān)系到工件的加工精度，其工作過程為活塞桿D在液壓油作用下，推動擺桿AOB繞O點轉(zhuǎn)動，AOB桿的A端推動鉗子夾緊工件。圖3-1

工件夾緊機(jī)構(gòu)

第3單元

工程構(gòu)件的受力分析

工程中常見的約束靜力學(xué)基本概念及其公理受力分析與受力圖平面力系內(nèi)容CONTENTS綜合項目分析第3單元工程構(gòu)件的受力分析

知識目標(biāo)

1.理解靜力學(xué)的基本概念—剛體、力、平衡和約束；掌握靜力學(xué)公理及其應(yīng)用范圍。

2.掌握工程中常見的約束和約束反力的畫法，能熟練而正確地畫出物體的受力圖。3.理解平面力系的合成和平衡條件，能利用平衡條件求解平面匯交力系的平衡問題。

1.能根據(jù)工程構(gòu)件的工作情況構(gòu)建力學(xué)模型。2.能區(qū)別常見約束力類型，并能對工程構(gòu)件進(jìn)行受力分析。

3.能對簡單平面力系進(jìn)行定量分析。

能力目標(biāo)

第3單元

工程構(gòu)件的受力分析

素質(zhì)目標(biāo)

1.培養(yǎng)工程思維與工程倫理意識。2.養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范、精益求精的工匠精神。

1.靜力學(xué)公理及其推論。2.柔性約束、光滑面約束、鉸鏈約束的特征及約束反力的畫法。

3.物體的受力分析和受力圖繪制。4.合力投影定理、力的平移定理、平面任意力系的簡化。

學(xué)習(xí)重點和難點3.1靜力學(xué)基本概念及其公理

工程構(gòu)件的受力分析：是研究物體在力系的作用下處于平衡與利用平衡條件解決未知力的問題。

平衡：是運動的特殊情形，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的狀態(tài)。3.1.1靜力學(xué)基本概念

1.剛體：就是在力的作用下不變形的物體。2.由若干個剛體組成的系統(tǒng)稱為物體系統(tǒng)，簡稱物系。

3.力的概念

力的概念：力是物體間的相互機(jī)械作用。

力對物體的作用會產(chǎn)生兩種效應(yīng)：

（1）外效應(yīng)：指力使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變。

（2）內(nèi)效應(yīng)：指力使物體使產(chǎn)生變形。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理小車的運動吊車梁的變形

4.力的三要素及表示方法

（1）力的三要素：力的大小、方向和作用點。

（2）力的表示方法：力是矢量

（3）力的單位為N（牛頓）或kN（千牛），通常用黑體字母（如F表示）代表力矢，以字母F代表力的大小。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理力的表示法

（4）按力與物體接觸的面積可為：集中力、分布載荷

3.1靜力學(xué)基本概念及其公理集中力分布載荷

5.力系的概念(1)力系:是指作用于物體上的一群力。(2)平衡力系：物體在力系的作用下處于平衡狀態(tài)

，這種力系成為平衡力系。(3)力系的簡化：將復(fù)雜的力系進(jìn)行簡化，而作用效應(yīng)不變的過程稱為力系的簡化。(4)等效力系：若兩個力系對物體的作用效應(yīng)相同，則稱為此兩個力系等效。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理

3.1.2靜力學(xué)公理

1.公理1二力平衡公理

剛體受兩個力作用而平衡，其必要與充分的條件是：兩力等值、反向、共線，圖3-4。

在兩個力的作用下保持平衡的構(gòu)件稱為二力構(gòu)件，因為工程上大多數(shù)二力構(gòu)件是桿件，所以常簡稱為二力桿。二力桿可以是直桿，也可以是曲桿。圖3-5b所示結(jié)構(gòu)的曲桿BC就是二力構(gòu)件。二力桿的受力特點：是兩個力的方向必在二力作用點的連線上。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理

公理1只適用剛體。對于變形體，它只是平衡的必要條件，而不是充分條件。如圖(a)所示的軟繩受兩個等值、反向、共線的拉力作用可以平衡，而如圖(b)所示的軟繩受兩個等值、反向共線的壓力作用就不能平衡。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理(a)(b)

3.公理3力的平行四邊形法則

作用于剛體同一點的兩個力可以合成為一個合力，合力也作用于該點，其大小和方向由以這兩個力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線所確定，圖37a。

力的三角形法則：

三角形的兩個邊分別表示兩個分力，第三邊表示合力，合力的作用點仍在匯交點。如圖3-7b、c所示。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理圖3-7力的平行四邊形法則

推論2三力平衡匯交定理

物體受三個力作用而平衡時，此三個力的作用線必匯交于一點。

由于三力是平衡的，所以三個力矢量按首尾聯(lián)接的順序構(gòu)成一封閉三角形，或稱力的三角形封閉。3.1靜力學(xué)基本概念及其公理圖3-8

三力平衡匯交定理

公理4作用與反作用定律

兩個物體間的作用力與反作用力，總是大小相等、方向相反、作用線相同，并分別作用于這兩個物體上。

想一想

練一練

二力平衡公理與作用與反作用定律的區(qū)別？3.1靜力學(xué)基本概念及其公理

3.2工程中常見的約束

【項目分析】

曲柄壓力機(jī)是鈑金生產(chǎn)行業(yè)中常用的生產(chǎn)設(shè)備，如圖3-9所示。曲柄作為

原動件帶動沖頭實現(xiàn)作業(yè)過程。

請思考：為什么曲柄、沖頭能實現(xiàn)預(yù)定的運動動作，而不會發(fā)生亂動？是什么限制了這些運動構(gòu)件的運動方式？a)曲柄壓力機(jī)外觀結(jié)構(gòu)圖b)曲柄壓力機(jī)機(jī)構(gòu)運動示意圖圖3-9曲柄壓力機(jī)

3.2.1約束與約束反力

（1）約束：一物體的空間位置受到周圍物體的限制時，這種限制就稱為約束。

（2）約束反力：約束限制物體運動的力稱為約束反力或約束力。

1）約束反力作用點：在約束與被約束物體的接觸處。

2）約束反力的方向：總是與該約束所限制的運動或運動趨勢的方向相反。

3）約束反力的大?。菏俏粗?，在靜力學(xué)中，可用平衡條件由主動力求出。3.2工程中常見的約束橋梁結(jié)構(gòu)圖約束力的方向

3.2.2工程中常見約束的分析與比較

1.柔性約束

(1)觀察實例：自行車的鏈傳動、升降臺繩索的聯(lián)接特點。

(2)概念：由繩索、膠帶、鏈條等形成的約束。

3.2工程中常見的約束

(3)約束特點：只能承受拉力,不能承受壓力這類約束只能限制物體沿柔索伸長方向的運動。

(4)約束反力的方向：總是沿柔索伸長方向背離被約束物體，常用符號FT

為表示。3.2工程中常見的約束柔性約束

案例分析——柔性約束實例：帶傳動

3.2工程中常見的約束

2.光滑面約束

（1）觀察實例：當(dāng)摩擦忽略不計，觀察嚙合齒輪的齒面

、自行車車輪與地面接觸的特點。3.2工程中常見的約束齒輪的嚙合自行車車輪與地面接觸

想一想

練一練

如圖3-1所示的工件的夾緊機(jī)構(gòu)，請判斷哪個構(gòu)件接觸點處屬于光滑面約束？如工件處于夾緊狀態(tài)，你能否畫出該構(gòu)件的受力圖？3.2工程中常見的約束圖3-1

工件夾緊機(jī)構(gòu)

（2）概念：光滑平面或曲面對物體所構(gòu)成的約束稱為光滑面約束。

（3）約束特點：只限制物體在接觸點沿接觸面的公法線方向指向約束物體的運動，而不限制物體沿接觸面切線方向的運動。

（4）約束反力的方向：通過接觸點沿接觸面公法線方向并指向被約束物體。通常用FN表示。

3.2工程中常見的約束光滑面約束光滑面約束力的方向

3.光滑鉸鏈約束

（1）實例觀察：門窗所用的活頁、鍘刀與刀架的聯(lián)接特點。

（2）概念：采用光滑圓柱定位銷將兩個構(gòu)件相聯(lián)接而形成的約束。3.2工程中常見的約束鍘刀機(jī)構(gòu)光滑鉸鏈約束

（3）約束反力：常用兩個通過鉸鏈中心大小未知方向正交的分力Fx、Fy來表示。

3.2工程中常見的約束光滑鉸鏈約束反力的表示

（4）若鉸鏈所聯(lián)接的構(gòu)件中有一個是二力構(gòu)件，則鉸鏈約束反力必須按公理1畫在兩個力作用點的連線上。

3.2工程中常見的約束二力構(gòu)件約束反力繪制

工程中常見光滑鉸鏈約束的主要有以下三種類型：

（1）固定鉸鏈支座

1）實例觀察：門與門框聯(lián)接、鍘刀與刀架聯(lián)聯(lián)特點。

2）概念：若相聯(lián)的兩個構(gòu)件有一固定，則稱為固定鉸鏈支座。

3.2工程中常見的約束固定鉸鏈支座鍘刀機(jī)構(gòu)實例

3）約束的特點：限制被約束物體間的相對移動，但不限制物體繞銷軸的相對轉(zhuǎn)動。

4）約束反力的方向：通常用兩個通過鉸心大小未知的正交力Fx、Fy來表示。

3.2工程中常見的約束約束反力的表示固定鉸鏈約束的符號表示固定鉸鏈支座

(2)中間鉸鏈

1）觀察實例：剪刀的兩個刀片聯(lián)接點的特點。

2）概念：若相聯(lián)的兩個構(gòu)件均無固定，則稱為中間鉸鏈，簡稱鉸。通常在兩個構(gòu)件連接處用一個小圓圈表示鉸鏈。

3.2工程中常見的約束中間鉸鏈中間鉸鏈實例

3）約束的特點：與固定鉸鏈支座約束特點相同。

4）約束反力的方向：它的約束反力與固定鉸鏈約束反力有相同，可以用兩個通過鉸心大小未知的正交力Fx、Fy來表示。

3.2工程中常見的約束中間鉸鏈符號表示

（3）活動鉸鏈支座

1）實例觀察：橋梁、屋架等結(jié)構(gòu)的聯(lián)接特點。

2）概念：在固定鉸鏈支座下面裝上幾個輥軸，使它能在支承面上任意移動

，就構(gòu)成了活動鉸支座。

3.2工程中常見的約束活動鉸鏈支座實例活動鉸鏈支座

3）約束的特點：它只能限制構(gòu)件沿支承面法向的運動，而不能限制切線方向的運動

。

4）約束反力的方向：通過鉸鏈中心并與支承面相垂直，通常用FN來表示。

3.2工程中常見的約束活動鉸鏈支座約束符號表示約束反力的方向表示

項目3-1

重力為P的圓球放在木板AC與墻壁AB之間，如圖3-10所示。設(shè)板AC重力不計，試作出木板與球的受力圖。3.2工程中常見的約束圖3-10項目3-1圖

項目3-2

如圖3-11所示，畫出梁AC的受力圖3.2工程中常見的約束圖3-10項目3-2圖

案例分析3.2工程中常見的約束

想一想

練一練

如圖3-1所示的工件夾緊機(jī)構(gòu)，構(gòu)件AOB是否存在光滑鉸鏈約束？如有請畫出該構(gòu)件的受力圖？3.2工程中常見的約束圖3-1

工件夾緊機(jī)構(gòu)

4.固定端約束

（1）實例觀察：外伸房屋的涼臺、裝卡加工用刀具的刀架。

（2）概念：物體的一部分固嵌于另一物體所構(gòu)成的約束稱為固定端約束。3.2工程中常見的約束圖

固定端約束應(yīng)用案例

（3）約束的特點:固定端約束限制物體在約束處沿任何方向的移動和轉(zhuǎn)動。

（4）約束反力的方向：一般可用兩個大小未知的正交約束分力FAx、FAy和一個約束力偶MA來表示

。3.2工程中常見的約束固定端約束的力學(xué)模型

基本概念

（1）受力分析：是指在靜力學(xué)中，分析所要研究的構(gòu)件（稱為研究對象）上受哪些作用力，并確定每個力的作用位置和方向的過程。

（2）分離體：解除約束后的物體稱為分離體。

（3）構(gòu)件的受力圖：在分離體上畫出它所受的全部主動力和約束反力，這種表示構(gòu)件受力情況的簡明圖形稱為構(gòu)件的受力圖。

3.3受力分析與受力圖

1.繪制受力圖的一般步驟為：

（1）確定研究對象，解除約束，畫出研究對象的分離體簡圖。

（2）根據(jù)已知條件，在分離體簡圖上畫出的全部主動力。

（3）在分離體的每一約束處，根據(jù)約束的類型畫出約束反力。3.3受力分析與受力圖

項目3-3如圖3-12所示，用木板在水溝中挑起一重力為G的球，接觸處光滑無摩擦，試分別用圖表示出木板、球的受力情況。3.3受力分析與受力圖

項目3-4

如圖3-13a所示的三鉸拱，由左右兩個半拱通過鉸鏈聯(lián)接而成。各構(gòu)件自重不計，在拱AC上作用有載荷F。試分別畫出拱AC、BC及整體的受力圖。3.3受力分析與受力圖

2.畫受力圖時，須注意以下幾點：

（1）必須明確研究對象

（2）不要多畫力，也不要漏畫力

（3）受力圖上不能再帶約束

（4）不要錯畫力的方向

（5）分析兩物體之間的作用力與反作用力時，應(yīng)遵循作用、反作用關(guān)系。

（6）正確判斷二力構(gòu)件。3.3受力分析與受力圖3.4平面力系

【項目分析】如3-14圖所示液壓夾緊機(jī)構(gòu)中，B、C、D、E為光滑鉸鏈。根據(jù)上單元所學(xué)知識，你已能分析機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的受力情況，并畫出各構(gòu)件的受力圖。如果已知力F及機(jī)構(gòu)平衡時角度，你能否求此時工件H所受的壓緊力？圖3-14液壓夾緊機(jī)構(gòu)意圖

3.4.1平面匯交力系

平面匯交力系：在平面力系中,各力作用線均匯交于一點的力系。3.4平面力系平面匯交力系的工程實例

想一想

練一練

前面多次練習(xí)的工件夾緊機(jī)構(gòu)，根據(jù)先前的受力分析，你能判斷個構(gòu)件承受匯交力系作用嗎？3.4平面力系圖3-1

工件夾緊機(jī)構(gòu)

1.平面匯交力系合成的幾何法

設(shè)剛體上作用一個平面匯交力系F1、F2、F3、F4，各力匯交于A點，根據(jù)力的可傳性，可將這些力沿其作用線移到

A

點，得到一個平面匯交力系。3.4平面力系圖3-16平面匯交力系FR＝F1+F2+…+Fn＝∑Fi

（3-1）

項目3-5

如圖3-17所示，在

O

點作用有四個平面匯交力。已知

F1=100N，F(xiàn)2=100N，

F3=150N，F(xiàn)4=200N，用幾何作圖法求力系的合力

FR。3.4平面力系圖3-17項目3-5圖

2.平面匯交力系平衡的幾何條件1）平面匯交力系平衡的必要和充分條件:是該力系的合力等于零。2）平面匯交力系平衡的幾何條件:力系中各力組成的力多邊形自行封閉3.4平面力系FR＝F1+F2+…+Fn＝∑Fi=0

（3-2）

項目3-6

如圖3-19所示一工件裝夾在V形底座上，已知夾具對工件的裝夾力F=400N，不計工件自重，求工件對V形底座的壓力。

3.4平面力系圖3-19項目3-6圖

3.平面匯交力系合成的解析法與平衡的解析條件

（1）力在坐標(biāo)軸上的投影1）定義：F在x軸和y軸上的投影分別計作Fx、Fy

。

2）投影的正負(fù)號規(guī)定為：從a到b（或從a1到b1）的指向與坐標(biāo)軸正向相同為正，相反為負(fù)。

3.4平面力系

3）力在坐標(biāo)軸上投影的大?。?/p>

若已知F的大小及其與x軸所夾的銳角α，則有

（3—3）

若已知Fx、Fy值，可求出F的大小和方向，即

（3—4）

3.4平面力系

（2）平面匯交力系合成的解析法

1）合力投影定理：力系的合力在某軸上的投影，等于力系中各力在同一軸上投影的代數(shù)和。

3.4平面力系

2）合力的大小及方向：

3.4平面力系（3-5）

（3-6）

（2）平面匯交力系合成的解析法

1）合力投影定理：力系的合力在某軸上的投影，等于力系中各力在同一軸上投影的代數(shù)和。

3.4平面力系

（3）平面匯交力系平衡的解析條件

平面匯交力系的平衡條件是：力系中各力在兩個坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和分別等于零。

備注：這是兩個獨立的方程，可求解兩個未知量。

3.4平面力系（3-7）

項目3-7

如圖3-21a所示一圓柱體放置于夾角為α的V型槽內(nèi)，并用壓板D夾緊。已知壓板作用于圓柱體上的壓力為F。試求槽面對圓柱體的約束反力。3.4平面力系3-21工件裝夾機(jī)構(gòu)

3.4平面力系

【項目分析】圖3-22所示為鉗工用絲錐攻螺紋，實際操作時往往用雙手而不是用單手攻螺紋，其原因是什么呢？為了回答這些問題，本節(jié)將學(xué)習(xí)力矩和力偶的概念、力偶的性質(zhì)、平面力偶系的合成與平衡條件及力的平移定理等知識。

圖3-22鉗工用絲錐攻螺紋

3.4.2力矩與平面力偶系

1.力對點之矩

（1）定義：以物理量F.h及其轉(zhuǎn)向來度量力使物體繞O轉(zhuǎn)動的效應(yīng)，這個量稱為力F對O點之矩，簡稱力矩。

記作：

（2）正負(fù)號則規(guī)定：逆時針轉(zhuǎn)向為正，順時針為負(fù)。

力矩的單位為牛頓·米（N·m）。3.4平面力系Mo（F）＝±Fh

結(jié)論：

1）當(dāng)力的作用線通過矩心時，此時力臂為零，力矩值為零。2）力沿其作用線滑移時，不會改變力矩的值，因為此時并未改變力、力臂的大小及力矩的轉(zhuǎn)向。3.4平面力系

（3）合力矩定理

平面匯交力系的合力對平面上任一點之矩，等于力系中各分力對同點力矩的代數(shù)和。3.4平面力系

項目3-8

如圖3-25a所示，直齒圓柱齒輪的齒面受一嚙合角

α=20°的法向壓力

Fn=2kN

的作用，齒輪分度圓直徑

d=60mm。試計算該力對軸心O的力矩。3.4平面力系

2.力偶的概念

（1）力偶的定義：一對等值、反向、不共線的平行力組成的力系稱為力偶。用記號(F，F(xiàn)′)表示。3.4平面力系力偶實例(方向盤)鉗工對絲錐的操作

電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動

1)力偶作用面：組成力偶（

F，F(xiàn)′)的兩個力的作用線所在的平面稱為力偶作用面。

2)力偶臂：力F和F′作用線之間的垂直距離。

3)力偶正符號的規(guī)定：一般規(guī)定，逆時針轉(zhuǎn)動的力偶取正值，順時針取負(fù)值。

力偶矩的單位為：N·m或N·mm3.4平面力系

（2）力偶的三要素1)力偶對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)取決于下列三要素：

力偶矩的大??；力偶的轉(zhuǎn)向；

力偶作用面的方位——作用面的方位由垂直于作用面的垂線指向表示。

3.4平面力系

2）力偶矩：在力學(xué)上以F與力偶臂d的乘積作為量度力偶在其作用面內(nèi)對物體轉(zhuǎn)動效應(yīng)的物理量，稱為力偶矩，并記作M（F，F(xiàn)′）或M。

即：M（F，F(xiàn)'）=M=±Fd=±2ΔOAB3.4平面力系

（3）力偶的等效條件：

平面力偶的等效是指三要素相同的力偶可以相互置換，而不改變對剛體的作用效果。

結(jié)論：1）力偶可以在作用面內(nèi)任意移動；2）可以改變力偶中力的大小、方向及力偶臂的大小。

3.4平面力系

3.力偶的性質(zhì)

性質(zhì)1

力偶對其作用面內(nèi)任意點的力矩恒等于此力偶的力偶矩，而與矩心的位置無關(guān)，如圖3-38所示。

性質(zhì)2

力偶無合力。

性質(zhì)3

力偶在任何坐標(biāo)上的投影和恒為零，如圖3-39所示。3.4平面力系圖3-28力偶矩與矩心無關(guān)

圖3-29力偶在任何坐標(biāo)軸上的投影和恒為零

4.平面力偶系的合成與平衡

作用在剛體上同一平面內(nèi)的若干力偶，總稱為平面力偶系。

（1）平面力偶系的合成平面力偶系合成的結(jié)果為一合力偶，合力偶矩為各分力偶矩的代數(shù)和。即：

（2）平面力偶系的平衡條件

平面力偶系平衡的必要和充分條件是：力偶系中各力偶矩的代數(shù)和等于零，即：∑M＝0

3.4平面力系M＝M1+M2+…+Mn＝∑M

項目3-9

用多頭鉆床在水平放置的工件上同時鉆四個直徑相同的孔，如圖3-30所示。每個鉆頭的切削力偶矩M1=M2=M3=M4=–l5N.m，求工件受到的總切削力偶矩的大小。3.4平面力系圖3-30水平放置的工件

項目3-10

四連桿機(jī)構(gòu)在圖3-31所示位置平衡，已知OA=60cm，O1B=40cm，作用在搖桿OA上的力偶矩M1=1N·m，不計桿自重，求力偶矩M2的大小。3.4平面力系圖3-31四連桿機(jī)構(gòu)

5.力的平移定理

作用在剛體上的力F，可以平移到剛體上任一點O，但必須附加一力偶，此附加力偶的矩，等于原力對該作用點O的矩。

3.4平面力系圖3-32力向一點平移的結(jié)果

3.4平面力系

【項目分析】

圖3-33a所示為曲軸沖床簡圖，其由曲輪I、連桿AB和沖頭B組成。OA=R，AB=l。忽略摩擦和自重，當(dāng)OA在水平位置、沖壓力為F時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

請問：1）你能分析并畫出曲輪、連桿及沖頭的受力圖嗎？2）利用所學(xué)的知識你能求出沖頭對導(dǎo)軌的側(cè)壓力嗎？3）利用所學(xué)知識，你能求出作用在曲輪I上的力偶矩M的大小嗎？圖3-33曲軸沖床簡圖

3.4.3平面任意力系

3.4平面力系圖3-33曲軸沖床簡圖

3.4.3平面任意力系

1.平面任意力系的簡化

（1）簡化方法：根據(jù)力的平移定理，將各力都向平面內(nèi)任意一點平移。3.4平面力系圖3-34平面力系的簡化過程與簡化結(jié)果

（1）

平面任意力系的簡化結(jié)果，主矢與主矩

1)主矢：FR′＝∑Fi′＝∑Fi

—

與簡化中心無關(guān)

2)主矩：Mo＝M1+M2+…+Mn＝∑Mo(Fi)

3.4平面力系

（2）平面任意力系簡化結(jié)果的討論

簡化的結(jié)果，進(jìn)一步分析可能出現(xiàn)以下四種情況：1）FR′＝0，MO≠0—簡化結(jié)果為一個力偶，其力偶矩MO等于力系的主矩，此時主矩與簡化中心無關(guān)。