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1、6-1 机械零件的工作能力准则 6-2 许用应力和安全系数 6-3 常用材料及其选择,第6章 机械零件设计和计算概论,一、机械零件常见失效形式 二、强度准则 三、刚度准则 四、耐磨性准则 五、振动稳定性准则,6-1 机械零件的工作能力准则,失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等,例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形,一、机械零件常见失效形式,机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力
2、强度准则：工作应力许用应力 或 ,针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形 典型零部件：轴、齿轮、 带轮等,正应力：,切应力：,1、强度准则,外力使零件变形， 其中引起塑性变形的外力作的功 以零件内部材料变形而存贮在零件内。当 外力消除 以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓 慢地变形， 即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧 失，直到能量全部施放出来为止， 变形结束。,残余变形:,刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j,针对失效形式：过大的弹性变形 典型零部件：轴、蜗杆等,2、刚度准则,耐磨性：零
3、件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损,针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等,3、耐磨性准则,共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值,针对失效形式：共振产生的工作失常 典型零部件：轴等,4、振动稳定性准则,一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数,6-3 许用应力和安全系数,载荷：作用
4、于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 名义载荷：理想工作条件下的载荷 计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷,计算载荷=K 名义载荷,一、载荷,静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）,稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力,二、应力,以正应力s为例 最大应力: smax= sm+sa 最小应力: smin 应力幅: sa,平均应力: sm 循环特征: r,应力参数,应力表达： s+1（ t+1 ） 最大应力: smax 最小应
5、力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,sm,静应力,应力表达： s0（ t0 ） 最大应力: smax 最小应力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,脉动循环变应力,应力表达： s-1（ t-1 ） 最大应力: smax 最小应力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,对称循环变应力,1 静应力下的极限应力 与材料性能有关 脆性材料取强度极限sB(tB),塑性材料取屈服极限sS(tS),三、极限应力,疲劳极限：材料经过N次应力循环不发生破坏的应力最大值sr(tr),各种材料的sr可从有关手册中查取,2 变应力下的极限
6、应力,变应力条件下零件的失效形式: 疲劳断裂.裂纹形状见书p71.,许用应力：设计零件时所依据的条件应力,安全系数许用应力结构笨重 安全系数许用应力不够安全,四、许用应力和安全系数,1 查许用应力表 根据实践经验制成表格选取,2 部分系数法 S=S1S2S3 S1：计算载荷和应力准确性系数（11.5) S2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5） S3：零件重要性系数（11.5),许用应力确定,一、常用材料 二、热处理方法 三、材料力学性能指标,6-4 常用材料及其选择,常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸
7、铁 2 钢：含量1.4常用 碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵 合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：含（0.150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料： 工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料,一、常用材料,1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理,二、热处理方法,1 退火 降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力(锻造、焊接),3 淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火,正火(空冷),退火(炉冷),回火,加热,保温,淬火,2 正火 用于处理低中碳钢，
8、代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性， 易于切削，减少应力,4 回火 消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性(100-250) 中温回火：高弹性、硬度中等(300-450) 高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回火)(450-650),热处理比较,表面热处理：表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热） 化学热处理（渗碳、氮化、氰化、氧化）,表面热处理,强度： 弹性极限： sP 抗拉强度： sB 屈服强度： sS(s0.2),硬度： HBS:布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450 HRC:洛氏硬度 120金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件 HV:维氏硬度 136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf 三种硬度单位之比较： HV(维氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBS,三、材料力学性能指标,
