机械基础-机械零件的材料、结构和承载能力

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1、一、 零件的常用材料及选用二、 零件的结构工艺性三、 机械零件的标准化、系列化和通用化 四、零件的强度02 机械零件的材料、结构和承载能力02 机械零件的材料、结构和承载能力一、零件的常用材料及选用材料是制作机械零件的原料，零件有强度和使用寿命 的要求，不同的零件需要选用不同的材料。如汽车轮胎 需要具有一定的弹性和耐磨性，选用橡胶作为原料；汽 车大梁需要承受较大的载荷和冲击，选用具有一定强度 和韧性的低碳合金钢。机床的主轴不仅要有强度，还要 有抗弯曲变形的刚度要求，选择45或40Cr钢材，并作成 中空形状；机床的床身要求不变形且耐磨损，选用不变 形的铸铁材料，导轨表面作淬火处理。常用材料材料选

2、用原则一、 常用材料1钢2铸铁3. 铜合金4. 铸铁锡基和铅基轴承合金5. 工程塑料6. 橡胶02 机械零件的材料、结构和承载能力1、钢 常用作机械零件的材料，它是铁和碳 的合金。常用结构碳素钢和合金钢。钢中 含碳质量分数的多少，影响到钢的韧性和 硬度，含碳质量分数越低，韧性越好，但 硬度低；反之，含碳质量分数越高，硬度 越大，但韧性越差。所以，常用中碳钢作 为零件的材料，具有一定的韧性和硬度， 也方便进行热处理。02 机械零件的材料、结构和承载能力（含碳量大于0.02%,小于2.11%的铁、碳合金）1.钢碳素钢低碳钢0.02%C0.25% 用于铆钉、螺钉、连杆等 合金钢合金结构钢合金工具钢特

3、殊性能钢 如：不锈钢、耐热钢、耐磨钢低合金结构钢 滚动轴承钢弹簧钢中碳钢0.25% C0.6% 用于齿轮、轴、连接件等高碳钢0.6%C 2.11%用于弹簧、工具、模具等 钢02 机械零件的材料、结构和承载能力铸钢 用于机座、箱壳、大齿轮等2.铸铁（含碳量大于2.11%的铁、碳合金） 灰铸铁 如HT100、HT300,良好的铸造性、切削加工 性、 耐磨性，消振性，但抗拉强度低。02 机械零件的材料、结构和承载能力铸 铁球墨铸铁 如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁 有 很大的提高，具有良好的耐磨性，但铸造性较差。可锻铸铁 如KTH300-06 ,强度、塑性、韧性、耐磨性均 较高

4、，能承受冲击振动 , 但生产周期长，成本较高。 铸造大尺寸零件较困难。3.铜合金铜合金的减磨性和耐腐蚀性能较好。 黄铜：铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素， 如 ZCuZn38等。青铜：青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜 和铝青铜等，如CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5。 青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐 腐蚀性。02 机械零件的材料、结构和承载能力铸造锡基和铅基合金主要含有锡、 铅、锑等成分，其优点是减磨性、 抗烧伤性、磨合性、耐蚀性、韧性 和导热性良好，主要用于制作滑动 轴承的减磨层。02 机械零件的材料、结构和承载能力4、铸造锡基和铅基合金5工程塑料热塑性塑料。如：聚乙烯、

5、有机玻璃、尼龙等。02 机械零件的材料、结构和承载能力热固性塑料。如：酚醛塑料、氨基塑料等。工 程 塑 料橡胶有普通橡胶和特种橡胶，用于 制作密封件、减振件、传动件、输 送带、轮胎、胶辊等。02 机械零件的材料、结构和承载能力6.橡胶02 机械零件的材料、结构和承载能力 2、材料的选用材料的品种很多，各有特点，应做到 物尽其用，用其所长。当然要考虑零件工 作中的使用要求、工艺要求和经济性。所谓经济性，首先表现在材料的相对 价格，还与生产批量、供应条件等条件有 关。工艺要求包括铸造性能、锻造性能 、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等 。如：结构复杂的箱体类零件，宜采用铸造 毛坯；重要的轴类和盘

6、类零件，宜采用锻造 毛坯等。02 机械零件的材料、结构和承载能力使用要求包括零件的工作和受载情 况，零件的尺寸和质量的限制，零件的 重要程度等。工作情况指零件所处的环 境，如介质、温度及摩擦性质。受载情 况指的载荷大小和应力种类。02 机械零件的材料、结构和承载能力机械零件应该加工方便、节省工时、提高 效率、降低成本、保证质量、满足结构工艺 要求。影响机械零件的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。如铸造材料要求其最小 厚度要大于8mm，否则会因为铸不满而产生 废品；留出足够的加工余量。锻件的内孔太 小时，不能冲孔成形；轴上的螺纹要留退刀 槽；磨削表面提

7、前做出中心孔等。这些都是 满足加工工艺要求所必须做好的准备。02 机械零件的材料、结构和承载能力二、零件加工的工艺性02 机械零件的材料、结构和承载能力三、零件的标准化、系列化和通用化国家对机械零件做出了统一的标准规定，有利于 简化零部件的品种和规格，便于组织大规模的生产，降 低成本。如需要一个螺钉、螺母，可以在市场上很方便地买 到。它是由标准件厂统一生产的，价格低，通用性好， 方便使用，但螺钉有统一的标准，如M6、M8、 M10、 M12、M16毫米，没有7、9、11、13,等规格的螺钉。滚动 轴承也是一样，其标准内经仅有10、12、15、17、20、25 、30、35不可能有其他数值。02

8、 机械零件的材料、结构和承载能力机械零件的标准化，是指产品的形式、 材料、尺寸、参数、性能等用“标准”予以统 一规定并实施；系列化是指对同一种零部 件，在相同的基本结构和基本尺寸条件下 ，规定若干个辅助尺寸不同的规格；通用 化是指在不同的同类产品甚至不同的类型 的产品上采用同样的零部件。零件的标准化、系列化和通用化的意义，主要表 现在以下几方面： (1)、便于组织大批量生产，并能提高质量、降低 成本。 (2)、有利于减少制造和设计工作量，缩短生产周 期。 (3)、增大零部件的互换性，方便机器维修。 (4)、有利于增加产品品种，扩大生产批量，满足 各种需求。02 机械零件的材料、结构和承载能力失

9、效是指机械零件丧失工作能力或不能 达到设计要求时。如彩色电视机的显像管 ，由于老化而出现的图象模糊不清，达不 到设计时的要求，称之为失效。零件不发生失效时的安全工作限度称为 工作能力。 对荷载而言的工作能力称为承载能力。02 机械零件的材料、结构和承载能力四、 零件的强度02 机械零件的材料、结构和承载能力1、载荷指机械零件受到的外力或外力矩 或者是力和力矩组成的联合载荷。 载荷大小和方向不随时间变化或者变化缓 慢的，称为静载荷。 载荷大小和方向随时间变化而变化的称为 动载荷。根据动力机的额定功率P(kW)和额定转速n(r/min) 计算出的称为名义载荷。02 机械零件的材料、结构和承载能力名

10、义转矩为：式中 T-转矩，Nmm；i-从动力到所计算零件之间的总传动比；-从动力到所计算零件之间传动的总效率。载荷系数K与名义载荷的乘积称为计算载荷， 以TC，FC等表示。式中 K-载荷系数，一般取K1。2、应力 应力是机械受到外载荷作用后，单位截 面上所受到的内力。载荷指零件外部的作用 力；应力指受到外部作用后，零件内部产生 的内力。应力的大小与外部载荷的变化、大 小有关。02 机械零件的材料、结构和承载能力式中 -应力，国际单位N/m2 F-机械所受的内力，单位N。 A-机械零件受力的截面积，单位mm2静应力指大小和方向不随时间变化或变化缓 慢的应力。静载荷产生静应力。 变应力是指大小和方

11、向随时间变化的应力。 动载荷产生变应力。具有周期性变化的应力 称为循环应力。 按应力变化特点分成脉冲循环应力、对称循 环应力和非对称循环应力三种，其中对称循 环应力对零件的寿命影响最大。02 机械零件的材料、结构和承载能力02 机械零件的材料、结构和承载能力02 机械零件的材料、结构和承载能力4、安全系数和许用应力 每一种材料经过试验后，都可以找到最大极限应 力值。如果直接以极限应力作为计算材料的强度，当达 到极限应力值时，零件就会出现破坏。此外，实验室的 测试是静态的外载荷作用，与零件实际工作环境存在差 别，为防止出现意外事故，取一个比1大的值作为安全 系数。如取安全系数2，假设其极限应力为

12、200MPa，被2 除后，得到100MPa，称100MPa为许用的应力，即当应 力达到100 MPa时为最大的极限，超过100 MPa认为零件 超载，会出现破坏。02 机械零件的材料、结构和承载能力实际应用中，有安全系数的作用，并不一定 立即出现问题。所以许用应力为极限应力与安全 系数的比值。安全系数越大，零件越安全，但零 件尺寸断面越大，造价越高。 对于运输机械，如摩托车、汽车、飞机，如 果安全系数过大，自身重量过大，消耗的燃料过 多，所以应当取较小的安全系数 。02 机械零件的材料、结构和承载能力3、零件的强度 强度是反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的 能力的重要指标。 根据工作条件的不同，

13、机械零件的强度可分 为静强度和疲劳强度。 根据破坏部位和破坏形式的不同，机械零件 的强度分为表面强度和体积强度，一般强度是指 体积强度。 （1 ）机械零件的体积强度 在载荷作用下，如果应力是在较大的 体积内产生的，在这种应力状态下的零件强 度称为体积强度。 一般分为静应力下零件的强度和变应力 下零件的强度。02 机械零件的材料、结构和承载能力静应力使零件产生塑性变形或断裂。如 自行车前后轴固定不动，受到人的不变载荷 静止作用，前轴太细可能产生弯曲塑性变形 ，严重时会断裂。变应力使零件产生疲劳断裂。如火车车 轮与轴组成一体，轴的受载荷是不变，但轴 随车轮的转动不断变化位置，它受到对称循 环变化的

14、变应力作用，经过无数次转动后， 可能出疲劳断裂。02 机械零件的材料、结构和承载能力 （2）机械零件的表面强度 在载荷的作用下，如果应力是在零件的较 浅的表层产生的，在这种应力状态下的零 件强度称为表面强度。02 机械零件的材料、结构和承载能力表 面 强 度 表面磨损强度表面挤压强度表面接触强度02 机械零件的材料、结构和承载能力(1) 表面接触强度点、线接触的高副连接表面产生弹性变形，出现很 大的局部应力，称接触应力。(2) 表面挤压强度以面接触而无相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面产生挤压应力。（3）表面磨损强度以面接触而作相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面因摩擦产生磨损，当磨损量超过许用值，零件即告失效。本节小结 1、常用机械零件的材料 2、选择机械零件材料时考虑因素。 3、机械零件结构的工艺性。 4、零件的强度。02 机械零件的材料、结构和承载能力