机械基础 机械零件的材料 结构和承载能力

§0－2 机械零件的材料、结构和承载能力
§0－2 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。
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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，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。
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• （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。
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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。
常用材料
材料选用原则
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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
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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。
式中 K----载荷系数，一般取K≥1。
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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。
式中 σ----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
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 环变化的变应力作用，经过无数次转动后， 可能出疲劳断裂。
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• （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。
四、 零件的强度
失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。
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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。
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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。
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。
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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。
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4、铸造锡基和铅基合金
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。
§0－2 机械零件的材料、结构和承载能力 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。
名义转矩为：
式中 T-----转矩，N·mm； i-----从动力到所计算零件之间的总传动比； η----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。
弹簧钢
钢
合金钢 特殊性能钢 如：不锈钢、耐热钢、耐磨钢
合金工具钢
铸钢 用于机座、箱壳、大齿轮等
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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。
铸
球墨铸铁 如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁
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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。
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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 。
表面接触强度
表
面 强
表面挤压强度
度
表面磨损强度
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(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。
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5．工程塑料
工 热塑性塑料。如：聚乙烯、有机玻璃、尼龙等。 程 塑 料
热固性塑料。如：酚醛塑料、氨基塑料等。
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6.橡胶
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。
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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。
§0－2 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 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
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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。
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1.钢 （含碳量大于0.02%,小于2.11%的铁、碳合金）
低碳钢0.02%<C＜0.25% 用于铆钉、螺钉、连杆等
碳素钢 中碳钢0.25% ＜C＜0.6% 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
滚动轴承钢
合金结构钢
低合金结构钢
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。
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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；重要的轴类和盘类零件，宜采用锻造 毛坯等。
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，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。
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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。
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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。
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二、零件加工的工艺性
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。
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机械零件的标准化，wenku.baidu.com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。
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