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1、机械基础,主编隋明阳,1)理解表达金属材料力学性能的名词术语及其判据。 2)能通过金属材料的力学性能判据比较材料的优劣。 3)理解表达金属材料加工工艺性能的名词术语。 1)参看有关书籍，如机械基础、金属工艺学等。 2)在教师指导下作“金属材料性能”实验或观看实验录像。 3)观看金属材料加工方法录像。 1.1 金属材料的性能 1.1.1 金属材料的力学性能 1.1.2 金属材料的加工工艺性能简介,1.2 钢的常用热处理方法 1.3 摩擦、磨损与润滑 1.3.1 摩擦与润滑 1.3.2 磨损 1.4 机械设计与制造 1.4.1 机械设计与制造应满足的基本要求 1.4.2 机械设计与制造应遵循的基本
2、原则 1.4.3 机械设计与制造的一般程序 1.4.4 机械制造中的主要加工工艺方法 1.5 机械的使用与维修,1.5.1 机械的合理使用与一般故障排除 1.5.2 机械的维护保养 1.5.3 机械的修理,图1-1 齿轮齿面塑性变形,图1-2 箱体的铸造缺陷,1.1 金属材料的性能,常用的机械工程材料可以分为两大类：金属材料和非金属材料。目前，机械工程中使用最广泛的还是金属材料，这是研究的重点。 为了正确、合理地使用金属材料，必须了解其性能。 金属材料的性能包括使用性能和加工工艺性能两个方面。 使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的性能。加工工艺性能是指材料是否易于加工的性能。对于金属材料而
3、言，使用性能包括力学性能、物理性能（如熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、密度等）和化学性能（如耐蚀性、耐氧化性等）；加工工艺性能主要包括焊接性能、切削性能、压力加工性能、铸造性能和热处理性能等。 因影响金属材料使用性能的主要方面是其力学性能,金属的物理性能和化学性能在有关课程中也已介绍过，故本书分析金属材料的使用性能时主要分析其力学性能。,1.1.1 金属材料的力学性能,1.强度 2.塑性 3.硬度 4.韧性 5.疲劳强度,1.强度,图1-3 拉伸试验机,1.强度,图1-4 拉伸试样,1.强度,图1-5 某金属材料的力伸长曲线,1.强度,图1-6 没有明显屈服现象的力伸长曲线,2.塑性,塑
4、性是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性好的金属材料便于进行压力加工成形。判断金属材料塑性好坏的主要判据有断后伸长率和断面收缩率。它们也可以通过前面提到的拉伸试验进行分析。,3.硬度,1) 布氏硬度。,图1-7 布氏硬度试验机和洛氏硬度试验机,3.硬度,图1-8 布氏硬度测试法原理,2)洛氏硬度。,4.韧性,图1-9 摆锤式一次性冲击试验 1摆锤 2试样 3机架 4指针 5刻度盘,4.韧性,图1-10 冲击试验标准试样,5.疲劳强度,图1-11 疲劳曲线,1.1.2 金属材料的加工工艺性能简介,1.焊接性能 2.切削性能 3.压力加工性能 4.铸造性能 5.热处理性能,1.焊接性能,
5、在一定的焊接条件下，被焊金属是否易于获得焊接接头的能力称为焊接性能（原称为可焊性）。焊接性能好的材料（如低碳钢）对焊接条件的工艺要求不高，便于施工，焊后不易产生焊接缺陷（如夹渣、气孔、裂纹等），焊接接头的力学性能较好。,2.切削性能,金属材料是否易于被刀具切削加工的能力称为切削性能（又称可加工性）。切削性能好的材料（如中碳钢）在被切削加工时，其表面质量较好、切屑容易折断且刀刃不易磨损。,3.压力加工性能,金属材料在外力的作用下产生塑性变形或分离并无切屑地成为零件或毛坯的加工方法称为压力加工。压力加工按是否加热工件分为冷压力加工和热压力加工两种类型。压力加工性能是指材料是否易于用压力加工方法制成
6、零件的性能。塑性好的材料（如低碳钢、铝等）一般其压力加工性能较好，对加工工艺要求不高，加工后工件不易出现裂纹、褶皱等缺陷，容易达到质量要求。,4.铸造性能,金属是否易于用铸造方法制成铸件或零件的性能称为铸造性能（原称为可铸性）。铸造性能好的金属材料（如灰铸铁），其液态时的流动性好，冷凝时的收缩性小，凝固后的偏析小（即凝固后各处化学成分的不均匀性小），铸件的质量较高。,5.热处理性能,1)强度是指材料抵抗塑性变形(永久变形)和断裂的能力，用应力来表示。 2)塑性是指材料断裂前发生不可逆永久变形的能力，用断后伸长率或断面收缩率来表示。 3)硬度是指材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕或划痕的
7、能力，常用布氏硬度或洛氏硬度来表示，其值越大材料越“硬”。 4)韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，主要反映了金属抵抗冲击力而不断裂的能力，用冲击吸收功AK或冲击韧度K来表示(推荐用AK)，其值大表示抗冲击的能力强。,5.热处理性能,5)疲劳强度可以理解为材料在交变应力作用下抵抗塑性变形(永久变形)和断裂的能力，用疲劳极限r来表示(在脉动循环交变应力情况下，r写成0；在对称循环交变应力情况下，r写成-1)。,表1-1 金属材料的力学性能指标名称、符号的部分内容对照,1.2 钢的常用热处理方法,1)材料和形状完全相同的两把斧头用同样的力砍在木材中的同一个钉子上，为什么一把斧刃坏了而另一把
8、没坏(图1-12)？ 2)材料和形状完全相同的两个弹簧受到同样的压力，去掉压力之后为什么一个还有弹性而另一个却没有了(图1-13)？ 1)懂得金属材料热处理的含义。 2)了解钢的常用热处理方法及其目的。 1.退火(焖火) 2.正火(正常化) 3.淬火(习称蘸火) 4.回火、调质 5.表面淬火,1.2 钢的常用热处理方法,6.渗碳 7.渗氮 8.时效,1)材料和形状完全相同的两把斧头用同样的力砍在木材中的同一个钉子上，为什么一把斧刃坏了而另一把没坏(图1-12)？,图1-12 斧头对比,2)材料和形状完全相同的两个弹簧受到同样的压力，去掉压力之后为什么一个还有弹性而另一个却没有了(图1-13)？
9、,图1-13 弹簧对比,1.退火(焖火),退火是指将钢件加热至临界温度（具体数值可查阅有关书籍或资料，如热处理手册。下同）以上3050C，保温一段时间后再缓慢冷却（常随炉冷却）的工艺。退火多用来消除铸件、锻件、焊接件的内应力，降低其硬度以易于切削加工，细化晶粒、改善内部组织，增加零件的韧性。,2.正火(正常化),正火是指将钢件加热到临界温度以上，保温一段时间后放入空气中冷却的工艺。正火多用来处理低碳钢、中碳钢和表面渗碳零件，使其组织细化，增加强度和韧性，减少内应力，改善其切削性能。,3.淬火(习称蘸火),淬火是指将钢件加热至临界温度以上，保温一段时间后放入淬火介质（又称淬火剂）中急剧冷却的工艺
10、。淬火用来提高钢的硬度和强度以及疲劳强度。常用的淬火剂有水、盐水、机油等。要注意，淬火时工件内部会产生较大的内应力，工件会变脆，故淬火后必须回火。,4.回火、调质,回火的目的是消除工件淬火后的脆性和内应力，提高钢的塑性和韧性。回火是指将淬硬的工件加热至临界点（可查有关资料）以下某一温度，保温一段时间后让工件在空气中或油中冷却的工艺，分为低温回火、中温回火和高温回火三种情况。 通常将淬火后又高温回火的热处理工艺称为调质，其目的是提高工件的综合力学性能。重要零件一般都需要进行调质处理。,5.表面淬火,为了使某些零件（如齿轮）满足既耐磨又耐冲击的工作要求，应使其工作面表层有较高的硬度、强度和耐磨性而
11、心部仍保持原有的强度和韧性，可采用某些加热方式使工件的表面迅速达到淬火温度而心部温度还很低时对其进行淬火，这种工艺称为表面淬火。,6.渗碳,为了增加零件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将工件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳。 渗碳可以使得零件表面的硬度高、强度高、耐磨性好而保持心部原有的韧性和强度，多用于受冲击载荷的低碳钢、低碳合金钢或中碳钢零件。,7.渗氮,渗氮也是一种化学热处理工艺，其工艺方法与渗碳类似。由于氮的特殊作用，使得工件表面的硬度更高，耐磨性与耐蚀性好。渗氮多用于耐磨性零件（钢件或铸铁件），特别是在潮湿、碱水或燃烧气体介质中工作的零件。,8.时效
12、,时效是指先将钢件加热至不大于120130，长时间保温后再让其随炉冷却或在空气中冷却并长期放置的工艺。时效用来消除或减小工件的内应力，防止其变形和开裂，稳定工件的形状和尺寸。 以上只是概括性地介绍了钢的常用热处理工艺及目的。后续课程中对钢及其他金属材料的热处理还有更详细的分析。要想尽早了解有关知识，也可参见热处理工艺手册或有关书籍。,1.3 摩擦、磨损与润滑,1)了解摩擦、磨损和润滑的含义。 2)了解摩擦和润滑状态的4种类型。 3)了解磨损过程、类型和减磨措施。,1.3 摩擦、磨损与润滑,图1-14 齿面磨损,1.3.1 摩擦与润滑,1.干摩擦 2.边界摩擦(润滑) 3.流体摩擦(润滑) 4.
13、混合摩擦(润滑),1.干摩擦,图1-15 摩擦(润滑)状态 a)干摩擦 b)边界摩擦(润滑) c)流体摩擦(润滑) d)混合摩擦(润滑),2.边界摩擦(润滑),在两摩擦面间加入润滑剂后，金属表面会吸附一层极薄的能起润滑作用的保护膜(称为边界膜)，这种状态称为边界摩擦（润滑）状态（图115b）。边界膜的厚度在01m以下，一般比零件微观表面上的凸峰小，故两摩擦面仍有凸峰接触。虽然此时表现出来的摩擦因数（约为008015）比干摩擦小，但磨损仍然存在。,3.流体摩擦(润滑),图1-16 液体动压轴承工作原理,4.混合摩擦(润滑),边界摩擦（润滑）与局部流体摩擦（润滑）同时存在的摩擦（润滑）状态称为混合
14、摩擦（润滑）状态（图115d）。此时仍有零件微观表面上的凸峰接触和磨损，只不过表现出来的摩擦因数比干摩擦的小得多。,1.3.2 磨损,1.磨损过程 2.磨损类型与减磨措施,1.磨损过程,图1-17 磨损曲线,1.磨损过程,图1-18 影响磨损量的因素,2.磨损类型与减磨措施,1)粘着磨损。 2)磨粒磨损。 3)疲劳磨损(点蚀)。,图1-19 疲劳磨损(点蚀) a)初始裂纹 b)裂纹扩展 c)金属剥落,1.4 机械设计与制造,1)了解机械设计与制造应满足的基本要求。 2)了解机械设计与制造应遵循的基本原则。 3)了解机械设计与制造的一般程序。 4)了解机械制造中的主要加工工艺方法。 1)借助教材
15、和电教片学习。 2)到机工实习车间或机械制造企业参观。,1.4.1 机械设计与制造应满足的基本要求,1.使用性要求 2.工艺性要求 3.经济性要求 4.其他要求,1.使用性要求,使用性要求是指使机械在规定的工作期限内能实现预定的功能，并且操作方便，安全可靠，维护,2.工艺性要求,工艺性要求是指在保证工作性能的前提下，尽量使机械的结构简单，易加工，好装配，维修方便。,3.经济性要求,经济性要求是指在设计、制造方面周期短、成本低；在使用方面效率高、能耗少、生产率高、维护与管理的费用少。,4.其他要求,1)外观造型和色彩符合工业美学原则，具有时代感。 2)产品新颖独特，符合人们求新、求异、求变化的心
16、理特征。 3)尽量减少对环境的污染，特别是降低噪声。 4)某些特殊要求，如食品机械要考虑干净、卫生、易于清洗，设计飞机要考虑重量轻、可靠性高等等。,1.4.2 机械设计与制造应遵循的基本原则,1.以市场需求为导向的原则 2.创造性原则 3.标准化、系列化、通用化原则 4.整体优化原则 5.联系实际原则 6.人机工程原则,1.以市场需求为导向的原则,机械设计与制造作为一种生产活动，与市场是紧密联系在一起的。从确定设计项目、使用要求、技术指标、设计与制造工期到拿出总体方案、进行可行性论证、综合效用分析（着眼于实际使用效果的综合分析）、盈亏分析直至具体设计、试制、鉴定、批量生产、产品投放市场后的信息反馈等都是紧紧围绕市场需求来运作的。设计与制造人员要时刻想着如何设计与制造才能使产品具有竞争力，能够占领市场、受到用户青睐。,2.创造性原则,创造是人类的本质。人类如果不发挥自己的创造性，生产就不能发展，科技就不会进步。设计与制造只有作为创造性活动才具有强大的生命力,因循守旧，不敢创
