机械基础-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§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§0－2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。§0－2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%C＜0.25%用于铆钉、螺钉、连杆等合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢如：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%＜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、模具等钢§0－2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。§0－2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，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。§0－2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。§0－2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、有机玻璃、尼龙等。§0－2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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力6.橡胶§0－2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；重要的轴类和盘类零件，宜采用锻造毛坯等。§0－2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。§0－2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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力二、零件加工的工艺性§0－2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。§0－2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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力四、零件的强度§0－2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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力名义转矩为：𝑇=9.55×106𝑃𝑛𝜂i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。𝑇𝑐=KT式中K----载荷系数，一般取K≥1。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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力𝜎=𝐹𝐴式中σ----应力，国际单位N/m2F----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。§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§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100MPa时为最大的极限，超过100MPa认为零件超载，会出现破坏。§0－2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。§0－2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，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。§0－2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变应力作用，经过无数次转动后，可能出疲劳断裂。§0－2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。§0－2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§0－2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。§0－2机械零件的材料、结构和承载能力