《机械设计基础》第一章 总论

1.2机械设计的基本要求和一般步骤
一、机械设计的基本要求
1.运动和动力性能要求 2.工作可靠性要求 ⑴强度: 衡量零件抵抗破坏的能力；工作应力不得超过许 用应力(强度计算准则)。 ⑵刚度：衡量零件抵抗弹性变形的能力；零件工作时的弹 性变形量不超过机械工作性能所允许的极限值(刚度计算 准则)。 ⑶耐磨性：零件抵抗磨损的能力；磨损计算准则。 ⑷耐热性：抗氧化，抗热变形和抗蠕变的能力；热平衡准 则。 ⑸振动稳定性：共振失效。
根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热 处理分为： 1、整体热处理 退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理 表面淬火、气相沉积
3、化学热处理：
渗碳、氮化、碳氮共渗
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
1.退火
将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却的 热处理方法。
可以消除内应力和降低硬度，以利于切削加工，提高塑 性和韧性，改善组织，为进一步热处理作好准备。 2.正火 正火的方法与退火相似，所不同的是用正火时，钢是在 空气中冷却。 由于正火的冷却速度比退火快，钢的硬度和强度较高， 但消除内应力不如退火彻底。
H H
1.6机械零件的极限与配合
1.5机械零件的强度
一、机械零件的载荷
1.静载荷和变载荷 不随时间变化或变化很小的载荷称为静载荷；随 时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变 载荷。 2.名义载荷和计算载荷
根据机器原动机的额定功率，或按机器在稳定 和理想条件下的工作阻力，用理论力学进行分析 所得到的作用在零件上的载荷，称为名义载荷。 修正后的名义载荷为计算载荷。
二、材料的选择 ⑴使用要求 首先应保证零件不失效。 ⑵制造工艺要求 ⑶经济性要求
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
三、钢的热处理概念
1、热处理的概念
将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温 和冷却以获得所需组织与性能的工艺。 2、热处理的目的 （1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
3. 零件是组成机器最基本的单元体 零件：机械中不可拆的制造单元体。 零件可分为两类：
专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片 通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等
部件：若干个零件的装配体
机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、
运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范
1.5机械零件的强度
对于塑性材料，在静应力作用下的主要失效形式是塑 性变形，故取材料的屈服极限 s , s 作为极限应力， 即 lim s , lim s 。
对于脆性材料，在静应力作用下的主要失效形式是断 裂，故取材料的强度极限 b , b 作为极限应力，即
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
一、机械零件的常用材料 机械零件的常用材料主要是钢和铸铁，其次是有色金属 合金。有些机械零件也采用非金属材料。
（一）钢（碳的质量分数小于2%）
碳素钢 钢 合金钢 1、按含碳量分
低碳钢 0.02 % <C< 0.25% 中碳钢 0.25 % <C< 0.6%
高碳钢 0.6% <C<2% 碳素结构钢
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
1.表面淬火 表面淬火是将工件表面迅速加热到淬火温度、不等 热量传至中心、立即快速冷却的热处理方法。
2.化学热处理
化学热处理是将钢件放在含有某种化学元素的介质 中通过加热、保温和冷却的方法，使介质中的某些 元素的活性原子渗入到钢件表层，改变钢件表层的 化学成分和组织，从而使其表面具有与芯部不同的 特殊性能。
1.3现代设计理论及方法简介
一、现代设计方法的特点和范畴
二、现代设计方法简介
1.机械优化设计 2.计算机辅助设计 3.可靠性设计 4.变型产品设计 5.价值工程设计 6.系统论方法设计 7.机械学理论和方法 8.创新设计 9.设计方法学设计 10.基于实例设计 11.质量驱动设计 12.参数化设计 13.分形设计 14.智能设计 15.虚拟产品设计 16.网上设计
“机械设计基础”研究的对象是机械或机器。
机器实例1：
内燃机
进气阀3
功能：内燃机是将燃气 燃烧时的热能转化为机 械能的机器 组成：见右图
排气阀4
活塞2
顶杆8 连杆5 曲轴6
气缸体1
齿轮9
凸轮7
1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容
1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容
机械的特征 1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统 2）各实物间具有确定的相对运动
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
（二）铸铁（碳的质量分数大于2%）
碳的质量分数大于2%的铁碳合金。铸铁的抗拉强度、塑 性、韧性较差，无法进行锻造和压延，但它的抗压强度 较高，具有良好的铸造性、切削加工性和减摩性。
常用的铸铁有灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁三种。
⑴灰铸铁（片状石墨）
制造机械零件的主要铸造材料。牌号由“HT”和一组数 字组成。数字表示平均抗拉强度。
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
铸钢
ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 HT150 HT200 HT250 QT450-10 QT500-7 QT600-3 QT700-2
450 550 570 145 195 240 450 500 600 700
230 270 310 — — — 310 320 370 420
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
（三）有色金属合金
铁以外的金属均称为有色金属。有色金属通常均以其合 金用于制造机械零件。有色金属合金具有一些特殊性能， 如高的导电性，导热性，耐腐蚀性和减摩性等。 常用的有色金属合金：
⑴铜合金 ⑵铝合金
（四）非金属材料
工程塑料、橡胶、皮革、陶瓷等。
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
lim b , lim b
1.5机械零件的强度
2.计算应力
危险截面上的最大工作应力。
3.安全系数
合理选择安全系数是强度计算中的一项重要工作：其 值取得过大，则许用应力过小，将使零件结构笨重； 取得过小，许用应力过大，零件可能很容易损坏而不 安全。 选择原则：在保证安全可靠的原则下，尽可能减小安全 系数。 可用下述方法求得： ⑴查表法 ⑵部分系数法
118 785 981 980 1079 735
屈服强度 s(N/mm2) 215 235 255 275 245 315 355
835 510 785 835 834 430
硬度 (HBS)
156 197 220
260 229 247 269 217 285
18Cr2Ni4W 35SiMn 40Cr 40CrNiMo 20CrMnTi 65Mn
机械设计基础
第一章 总论
§1.1 “机械设计基础”课程研究的对象和内容 §1.2 机械设计的基本要求和一般步骤 §1.3 现代设计理论及方法简介 §1.4 机械零件的常用材料及钢的热处理概念 §1.5 机械零件的强度 §1.6 机械零件的极限与配合
§1.7 机械零件的常用加工方法
1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容
内燃机：热能→机械能 发电机：机械能→电能 电动机：电能→机械能
如
3）实现能量转换或完成有效的机械功 如
活塞—缸体：往复运动 曲轴—缸体：转动 连杆—曲轴：摆动 刨头—床身：往复直线
具有以上三个特征——机器 只具有机器的前两个特征——机构
可见，机器与机构的关系：机器是由一种或多种机构组成的
1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
3.淬火与回火
淬火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在 水或油中快速冷却的热处理方法。
钢件淬火后，硬度急剧增加，但存在很大的内应力和 脆性。为了减小内应力和脆性，避免发生变形甚至开 裂，以获得良好的力学性能，淬火后一般均需回火。 回火是将淬火钢重新加热到某一低于临界点的温度， 保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。 回火钢的硬度随加热温度的升高而降低。
Fnc KF
1.5机械零件的强度
二、机械零件的应力 1.静应力(a) 大小和方向不随时间变 化或变化缓慢的应力。 2.变应力(b,c,d) 大小和方向随时间变化。 循环变应力
稳定变应力(上图b,c,d)
有规律的不稳定变应力 (下图a)
随机变应力(下图b)
1.5机械零件的强度
三、静应力下机械零件的强度计算
1.静应力计算的强度准则
极限应力 lim , lim
判断零件强度有两种方法：
许用应力 ,
许用安全系数[S]：极限应力与许用应力的比值
lim nc S 1. lim nc S
lim S S nc 2. S lim S nc
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
4.特殊性能钢
具有特殊物理性能和化学性能的钢为特殊钢，它的特殊 性能随所含合金元素不同而不同。牌号编法与合金结构 钢相同。
5.铸钢
不论是碳素钢或是合金钢，凡用来直接铸造零件毛坯的， 均称为铸钢，用符号ZG表示。 对于碳素铸钢，在ZG后加两组数字表示它的屈服点和抗 拉强度；对于合金铸钢，则只在合金钢牌号前面加 “ZG”。
2、按质量和用途分
优质碳素结构钢 合金结构钢 特殊性能钢 铸钢
1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念
材料 名称
普通碳素 结构钢 优质碳素 结构钢 合金 结构钢
机械性能 牌号
Q215 Q235 Q255 Q275 20 35 45 抗拉强度 b(N/mm2) 335~410 375~460 410~510 490~610 410 530 600