轴系的组合结构设计
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《机械基础》课程CAI课件
安徽工程科技学院 机械工程系：龚建成
1
第4章 机械工程常用材料及其工程性能
4.1 概述
黑色金属材料－铁基金属合金 金属材料 有色金属材料
材料 无机非金属材料 非金属材料 有机材料-塑料，橡胶，合成纤维
2
4.2 金属材料的机械性能
强度 刚度 塑性 硬度 金属的疲 劳 线膨胀系 数α 材料抵抗塑性变形和断裂的能力 材料抵抗弹性变形的能力 在外力作用下金属产生塑性变形而不 产生断裂的能力 材料抵抗局部塑性变形能力的性能指 标
塑性断裂是指零件承载截面上所受的应力超过了零 件材料的屈服强度，产生塑性变形，直至发生断裂 的现象。
第10章 常用机械工程材料的选用
（2）疲劳断裂 疲劳断裂是指零件在交变循环应力多次作用下发生断 裂的现象。 疲劳断裂的主要特点是：
①引起疲劳断裂的应力较低，一般大大低于材料的屈 服强度；
②断裂前没有明显的宏观塑性变形，在没有预兆的情 况下突然发生断裂。
3. 表面损伤失效 表面损伤失效是指机械零件在工作中，由于机械力 或化学腐蚀的作用，使其工作表面产生磨损、疲劳 点蚀、腐蚀等损伤的现象。 根据损伤形式的不同，表面损伤失效一般分为磨损 失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三大类。
第10章 常用机械工程材料的选用
（1）磨损失效 磨损失效是指在机械力的作用下，相对运动的零件 表面之间发生摩擦，材料以细屑的形式逐渐磨耗， 使零件的表面材料不断损失，从而导致零件最终失 效的一种形式。
机械性能
当应力的周期循环次数增加到某一 数值N后，材料也会产生断裂
l la t t0
3
材料在轴向拉伸或压缩时的机械性质
力
应力
变形
应变
4
4.3 常用的工程材料
铸铁 含碳量大于2.06％的铁碳合金； 制作底座、支架、工作台
黑色金 属
碳素钢 （含碳量0.04%1.7％的铁碳合金 称为钢） 合金钢
普通碳素结构钢－Q244 、 Q274制造强 度要求高的零件－连杆、轴 优质碳素结构钢－钢号10 、 14 、 20 、 84 －一般零部件应用（0.01％） 碳素工具钢－T8 、 T12A （高级优质 碳素工具刚）－一般零部件应用（0.1 ％）
为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种 合金元素的钢－铬锰镍硅铝钨
第10章 常用机械工程材料的选用
（3）低应力脆性断裂 低应力脆性断裂是指零件在所受应力远低于材料屈服 强度时发生断裂的现象。 脆性断裂往往会带来灾难性的后果，是最危险的零件 失效形式。 （4）蠕变断裂 蠕变是指金属材料在较高温度（再结晶温度以上）与 应力的作用下，缓慢地产生塑性变形，且变量随着时 间的延长而增加的现象。 零件由蠕变而引起的断裂称为蠕变断裂。
化学热处 理 电镀 化学处理 涂漆
金属零件的表 面精饰
10
11
第10章 常用机械工程材料的选用
10.1 机械零件的失效与分析 10.2 材料选择的一般原则、方法和步骤 10.3 典型零件的材料选择
第10章 常用机械工程源自文库料的选用
10.1 机械零件的失效与分析
10.1.1 失效的概念
所谓失效，就是指机械零件失去正常条件下所应具有 的工作能力的现象。
退火 普通热处 理 热处理 正火 淬火 回火 表面淬火 表面热处 理 火焰加热 感应加热
化学热处 氮化 理 氰化
渗碳
8
退火
将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间 －缓慢冷却； 目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒， 改善组织以提高化学性能；消除残余应力， 以防止变形、干裂；
将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间 －在空气中冷却； 目的：强度硬度比退火后高；利于切削加 工 将钢加热高于临界温度－保温－在水或油 中迅速冷却； 目的：提高零件硬度和耐磨性； 将淬火后零件－重新加热低于临界温度－ 保温－在水或油中迅速冷却； 目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力； 是淬火后必须程序；
9
正火 普通热处 理 淬火
回火
4.4 金属材料的热处理与表面精饰
表面淬火 表面热处 理 快速加热－－迅速冷却 目的：使表面变硬；内部塑性和韧 性较好；－－齿轮、蜗杆、丝杆、 轴颈； 将工件在一定介质中加热和保温－使 介质中活性原子渗入表层－改变表层 化学成分和组织－使具有特殊的力学 或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化 目的：在金属表面加覆盖层， 以达到防腐、改善性能和装 饰作用；
5
纯铜
不宜制造结构零件，常制作电 元件和耐磨件，价格贵
铜及铜合 黄铜 金
有色金 属 青铜 铝及铝合 金
铜与锌合金，H80 、H49 (铜含量)、 HPb49-1 、HMn48-2（特殊） 铜与锡铅等元素的合金 －锡青铜（铜锡合金） －无锡青铜（含铝铍锰等元素） 铸铝合金 变形铝合金
超硬铝合金 形状记忆 合金
磨损最常见的有磨粒磨损和黏着磨损两种主要类型。
第10章 常用机械工程材料的选用
①磨粒磨损 在零件相对摩擦时，由于硬质颗粒对金属表面的切 削作用，造成被磨表面产生沟槽，磨面材料逐渐耗 损的一种磨损。 ②黏着磨损 在零件相对摩擦时，其表面微小的凸起部分，在压 力和摩擦热的作用下发生焊合或黏着，当零件继续 运动时，黏着部分又被撕开，使材料从一个表面转 移到另一个表面所造成的表面磨损。 黏着磨损又称咬合磨损。
在宇航、电子、医疗等方面应用
6
工程塑料 橡胶 非金属材 料
密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易 加工；
耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；
人工合成 矿物
宝石 石英
陶瓷材料
硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀
7
4.4 金属材料的热处理与表面精饰
钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却， 从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。
第10章 常用机械工程材料的选用
2. 过量变形失效 过量变形失效是指机械零件在工作中受到外力作用， 发生过量的弹性变形或塑性变形而失效的现象。 （1）过量弹性变形失效
零件在工作时发生过量的弹性变形而造成的失效。
（2）过量塑性变形失效 当受力超过了材料的屈服强度时，零件就会发生塑 性变形。
第10章 常用机械工程材料的选用
零件失效一般分为下列三种情况：
（1）完全破坏，不能继续工作；
（2）严重损伤，继续工作不安全；
（3）轻微损坏，能安全地工作，但已达不到预定的 精度或功能。
第10章 常用机械工程材料的选用
10.1.2 机械零件失效的形式 1. 断裂失效
断裂失效是指机械零件在工作过程中由于应力的作 用发生完全断裂的现象。 （1）塑性断裂
安徽工程科技学院 机械工程系：龚建成
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第4章 机械工程常用材料及其工程性能
4.1 概述
黑色金属材料－铁基金属合金 金属材料 有色金属材料
材料 无机非金属材料 非金属材料 有机材料-塑料，橡胶，合成纤维
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4.2 金属材料的机械性能
强度 刚度 塑性 硬度 金属的疲 劳 线膨胀系 数α 材料抵抗塑性变形和断裂的能力 材料抵抗弹性变形的能力 在外力作用下金属产生塑性变形而不 产生断裂的能力 材料抵抗局部塑性变形能力的性能指 标
塑性断裂是指零件承载截面上所受的应力超过了零 件材料的屈服强度，产生塑性变形，直至发生断裂 的现象。
第10章 常用机械工程材料的选用
（2）疲劳断裂 疲劳断裂是指零件在交变循环应力多次作用下发生断 裂的现象。 疲劳断裂的主要特点是：
①引起疲劳断裂的应力较低，一般大大低于材料的屈 服强度；
②断裂前没有明显的宏观塑性变形，在没有预兆的情 况下突然发生断裂。
3. 表面损伤失效 表面损伤失效是指机械零件在工作中，由于机械力 或化学腐蚀的作用，使其工作表面产生磨损、疲劳 点蚀、腐蚀等损伤的现象。 根据损伤形式的不同，表面损伤失效一般分为磨损 失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三大类。
第10章 常用机械工程材料的选用
（1）磨损失效 磨损失效是指在机械力的作用下，相对运动的零件 表面之间发生摩擦，材料以细屑的形式逐渐磨耗， 使零件的表面材料不断损失，从而导致零件最终失 效的一种形式。
机械性能
当应力的周期循环次数增加到某一 数值N后，材料也会产生断裂
l la t t0
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材料在轴向拉伸或压缩时的机械性质
力
应力
变形
应变
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4.3 常用的工程材料
铸铁 含碳量大于2.06％的铁碳合金； 制作底座、支架、工作台
黑色金 属
碳素钢 （含碳量0.04%1.7％的铁碳合金 称为钢） 合金钢
普通碳素结构钢－Q244 、 Q274制造强 度要求高的零件－连杆、轴 优质碳素结构钢－钢号10 、 14 、 20 、 84 －一般零部件应用（0.01％） 碳素工具钢－T8 、 T12A （高级优质 碳素工具刚）－一般零部件应用（0.1 ％）
为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种 合金元素的钢－铬锰镍硅铝钨
第10章 常用机械工程材料的选用
（3）低应力脆性断裂 低应力脆性断裂是指零件在所受应力远低于材料屈服 强度时发生断裂的现象。 脆性断裂往往会带来灾难性的后果，是最危险的零件 失效形式。 （4）蠕变断裂 蠕变是指金属材料在较高温度（再结晶温度以上）与 应力的作用下，缓慢地产生塑性变形，且变量随着时 间的延长而增加的现象。 零件由蠕变而引起的断裂称为蠕变断裂。
化学热处 理 电镀 化学处理 涂漆
金属零件的表 面精饰
10
11
第10章 常用机械工程材料的选用
10.1 机械零件的失效与分析 10.2 材料选择的一般原则、方法和步骤 10.3 典型零件的材料选择
第10章 常用机械工程源自文库料的选用
10.1 机械零件的失效与分析
10.1.1 失效的概念
所谓失效，就是指机械零件失去正常条件下所应具有 的工作能力的现象。
退火 普通热处 理 热处理 正火 淬火 回火 表面淬火 表面热处 理 火焰加热 感应加热
化学热处 氮化 理 氰化
渗碳
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退火
将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间 －缓慢冷却； 目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒， 改善组织以提高化学性能；消除残余应力， 以防止变形、干裂；
将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间 －在空气中冷却； 目的：强度硬度比退火后高；利于切削加 工 将钢加热高于临界温度－保温－在水或油 中迅速冷却； 目的：提高零件硬度和耐磨性； 将淬火后零件－重新加热低于临界温度－ 保温－在水或油中迅速冷却； 目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力； 是淬火后必须程序；
9
正火 普通热处 理 淬火
回火
4.4 金属材料的热处理与表面精饰
表面淬火 表面热处 理 快速加热－－迅速冷却 目的：使表面变硬；内部塑性和韧 性较好；－－齿轮、蜗杆、丝杆、 轴颈； 将工件在一定介质中加热和保温－使 介质中活性原子渗入表层－改变表层 化学成分和组织－使具有特殊的力学 或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化 目的：在金属表面加覆盖层， 以达到防腐、改善性能和装 饰作用；
5
纯铜
不宜制造结构零件，常制作电 元件和耐磨件，价格贵
铜及铜合 黄铜 金
有色金 属 青铜 铝及铝合 金
铜与锌合金，H80 、H49 (铜含量)、 HPb49-1 、HMn48-2（特殊） 铜与锡铅等元素的合金 －锡青铜（铜锡合金） －无锡青铜（含铝铍锰等元素） 铸铝合金 变形铝合金
超硬铝合金 形状记忆 合金
磨损最常见的有磨粒磨损和黏着磨损两种主要类型。
第10章 常用机械工程材料的选用
①磨粒磨损 在零件相对摩擦时，由于硬质颗粒对金属表面的切 削作用，造成被磨表面产生沟槽，磨面材料逐渐耗 损的一种磨损。 ②黏着磨损 在零件相对摩擦时，其表面微小的凸起部分，在压 力和摩擦热的作用下发生焊合或黏着，当零件继续 运动时，黏着部分又被撕开，使材料从一个表面转 移到另一个表面所造成的表面磨损。 黏着磨损又称咬合磨损。
在宇航、电子、医疗等方面应用
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工程塑料 橡胶 非金属材 料
密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易 加工；
耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；
人工合成 矿物
宝石 石英
陶瓷材料
硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀
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4.4 金属材料的热处理与表面精饰
钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却， 从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。
第10章 常用机械工程材料的选用
2. 过量变形失效 过量变形失效是指机械零件在工作中受到外力作用， 发生过量的弹性变形或塑性变形而失效的现象。 （1）过量弹性变形失效
零件在工作时发生过量的弹性变形而造成的失效。
（2）过量塑性变形失效 当受力超过了材料的屈服强度时，零件就会发生塑 性变形。
第10章 常用机械工程材料的选用
零件失效一般分为下列三种情况：
（1）完全破坏，不能继续工作；
（2）严重损伤，继续工作不安全；
（3）轻微损坏，能安全地工作，但已达不到预定的 精度或功能。
第10章 常用机械工程材料的选用
10.1.2 机械零件失效的形式 1. 断裂失效
断裂失效是指机械零件在工作过程中由于应力的作 用发生完全断裂的现象。 （1）塑性断裂