机械基础（高职机电专业）全套教学课件

机械基础MechanicalGeneralEducation全套可编辑PPT课件机械基础目录ContentsPart1Part2Part3Part4Part5机械基础概论金属材料的性能及热处理工程构件的受力与变形机械传动机构连接与轴系零部件Part6液压传动与气压传动认识机械第一单元认识机械机械零件的设计与制造案例导入

数千年前，我们的祖先就知道利用石斧、石锯、石镰、弓箭等作为生产和狩猎的工具，利用独木舟作为水上交通工具。这些工具的使用就含有简单机械的原理。1.1机械概述古代在动力的利用和机械结构的设计上有着不少精妙之处，如世界上第一台地震仪——候风地动仪、利用齿轮和轮系传动原理制造的指南车和能连续发射的诸葛连弩等。18世纪19世纪末20世纪初20世纪中期蒸汽机的发明促进了欧洲机械工业的快速发展，从而产生了第一次工业技术革命。其后，各种以蒸汽机作为原动机的机械开始出现，如纺织机、蒸汽火车和蒸汽轮船等。第二次工业技术革命的浪潮中，内燃机的出现促进了交通工具的发展与革新。世界上第一辆汽车和第一架飞机相继问世。以电子计算机为代表的第三次工业技术革命逐步兴起，机电一体化技术和计算机控制技术在机械工业中得到应用。我国自主研制的“长征”系列运载火箭（见图1-9），截至2017年7月2日已成功发射250余次。1.2机器属于人为的实体组合体各运动实体之间具有确定的相对运动能代替或减轻人类的劳动，利用机械能做功或进行能量转换机器是人们根据使用要求而设计制造的一种执行机械运动的装置，它可以用来变换或传递能量、物料与信息，从而代替或减轻人类的体力和脑力劳动。随着社会的不断进步，各种机器在人们的日常生活和生产活动中扮演着重要的角色，如洗衣机、汽车、起重机、数控车床等。虽然这些机器的形状、结构和用途各不相同，但它们一般具有以下的共同特征：1.2.1.1机器的组成

根据组成部分功能不同，一部完整的机器一般包含五个部分。下面以轿车为例，介绍机器各组成部分的含义。

轿车的五个组成部分如图1-11所示，可以看出，一台完整的机器一般由动力部分、执行部分、传动部分、控制部分、支撑及辅助部分组成。1.2.1.2机器的类型根据用途不同，机器可分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器，它们各自的用途及应用。类型用途应用举例动力机器实现其他能量与机械能之间的转换

电动机

内燃机1.2.1.2机器的类型根据用途不同，机器可分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器，它们各自的用途及应用。类型用途应用举例加工机器用来改变加工对象的尺寸、形状、性质和状态

车床

钻床运输机器用来运输人员或物品

客车

叉车信息机器用来获取或变换信息

传真机

手机1.2.2机构

机构是具有确定相对运动的构件的组合，它是用来传递运动和动力的构件系统。机器可以看做是一个或若干个机构的组合。如果从结构和运动的观点来看，机器和机构二者之间没有明显区别，故通常将机器和机构统称为机械。1.3构件与零件构件是指组成机构的各个具有相对运动关系的实物，它是机构中的运动单元零件是组成机器的基本单元，按照适用范围不同，零件可分为通用零件和专用零件两类通用零件在各种机器中都能用到，如螺栓、螺母、销钉、轴承、齿轮等；专用零件仅用于实现特定功能的机器，如内燃机的曲轴、起重机的吊钩、液压马达的叶片等机器中这种不可拆卸的制造单元称为机械零件，简称零件1.4课程内容、性质及任务了解常用机械传动方式，掌握常用机构的运动原理，培养使用、维护一般机械的能力

本课程将“工程材料”“工程力学”“机械原理”等传统机械专业课程的内容进行有机整合，安排了机械基础概论、金属材料的性能与热处理、工程构件的受力与变形、机械传动机构、连接与轴系零部件、液压传动与气压传动等六个模块的内容，突出了教学内容的实用性和综合性，并注重对学生动手能力和解决工程实际问题能力的培养。了解并初步掌握工程实际中简单力学问题的分析方法，并能对工程构件的强度进行分析和计算掌握一般机械中常用工程材料的类别、性能、用途及选材原则，并掌握常用金属材料热处理的作用及方法熟悉常用机械零部件的结构和标准，掌握机械零部件的选用和基本设计方法了解液压与气体传动的基础知识，会进行简单液压与气动系统的调试和维护1.5学习方法综合应用所学知识本课程具有很强的综合性，在学习之前应综合了解工程制图、金工实习、互换性与测量技术等课程的基本知识，并注意各知识点之间的联系01理论联系实际，做到学以致用本课程所学内容与工程实际联系十分紧密，在学习过程中，应注重将所学基本原理与生活中的实物联系起来，以加深对基本理论和知识的理解02学会总结和归纳，提高分析和解决问题的能力本课程的研究对象较多，在学习时应及时对研究对象所涉及的基本理论和原理进行归纳总结，以提高独立分析和解决工程实际问题的能力03在动手实践中领悟知识本课程具有很强的实践性，学生应积极参加课程实验、实习、实训等实践内容，在动手中强化知识，提高能力04本章小结零件是机器的最小制造单元；构件是机器的运动单元体，也就是相互之间能做相对运动的物体机构是具有确定相对运动的构件的组合。机器是人为实体的组合，它的各部分之间具有确定的相对运动，并能减轻甚至代替人类的体力劳动，其作用是完成有用的机械功或实现能量的转换从功能划分的角度看，机器主要由动力部分、传动部分、执行部分、控制部分和支撑及辅助部分组成本课程是一门介绍机械基础知识、基本理论和分析方法，在学习过程中应注意理论和实践相结合机械零件的设计与制造第二单元机械零件对材料的要求机械零件的结构工艺性要求摩擦、磨损和润滑机械零件的承载能力2.1机械零件对材料的要求金属材料陶瓷材料高分子材料机械工程材料符合材料金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面2.2机械零件的结构工艺性要求

机械零件的结构工艺性能具体是指其结构制造的可行性和经济性。

零件的结构应简单合理，尽量便于切削加工，减少切削量，提高切削效率；尽量避免或减少装配时的切削加工和手工装配，使拆装方便；尽量组成独立部件或装配单元，以便平行装配2.3.1摩擦的类型

摩擦分为滚动摩擦和滑动摩擦，其中滑动摩擦的类型主要有干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。干摩擦干摩擦是表面间无任何润滑剂或保护膜，两摩擦表面直接接触的摩擦边界摩擦边界摩擦是摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能的摩擦流体摩擦流体摩擦是摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力的摩擦混合摩擦混合摩擦是摩擦表面间有润滑油，但不足以保证流体摩擦的摩擦形式2.3.2磨损

机械运动构件之间的摩擦将导致零件表面材料逐渐损耗或迁移，形成磨损。磨损会影响机械的效率，降低工作的可靠性，甚至使机械提前报废。磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段磨合阶段包括摩擦表面轮廓峰的形成变化和表面材料被加工硬化的两个过程。由于机件加工后的表面总具有一定的表面粗糙度，在磨合初期，只有很少的轮廓峰接触，因此接触面上真实应力很大，使接触轮廓峰压碎和塑性变形，同时薄的表层被冷作硬化，原有的轮廓峰逐渐消失，变成形状和尺寸均不同于原样的新轮廓峰。稳定磨损阶段的长短代表零件使用寿命的长短。在这个阶段内，零件在平稳而缓慢的速度下磨损，它标志着摩擦条件保持相对稳定烈磨损阶段中摩擦副的温度急剧增大，磨损速度也急剧增大，这时必须停机并更换零件。经过稳定磨损阶段后，零件的表面遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的运动载荷，出现噪声和振动。2.3.3润滑

对机械进行润滑是减少摩擦和磨损、提高机械效率、减少能量损失、降低材料消耗、保证机器工作可靠性的有效手段。在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦、减轻磨损、保证零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力。使用膏状的润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，避免加剧零件的磨损，起到密封的作用。2.4机械零件的承载能力

机械零件由于某种原因不能正常工作的情况，称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。通常此限度是对承受载荷而言的，所以习惯上又称为承载能力。

机械零件常见的失效形式有整体断裂、过大的残余变形、零件表面的破坏以及破坏正常工作条件引起的失效。2.4.1整体断裂

零件在受到外载荷作用时，由于某一危险截面上受力超过零件的承载能力而发生断裂，或者零件在受交变外力的作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类，如螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断、泰坦尼克号的断裂。2.4过大的残余变形零件表面的破坏破坏正常工作条件引起的失效零件在工作时，有时会产生过大的残余变形。例如，轴由于过大的弹性形变（即刚度不足），致使轴颈在轴承中倾斜，若轴上装有齿轮则齿轮受载不均匀，以致影响正常工作。零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学侵蚀现象，使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏，处于潮湿空气中或与水、蒸汽及其他腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象；所有做相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；而在交变应力条件下工作的零件表面则有可能发生接触疲劳。有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。本章小结选择机械零件的材料时，要满足零件的使用性能和工艺性能的要求，同时兼顾合理的经济性机械零件的结构工艺性是指其结构制造的可行性和经济性滑动摩擦有干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四种类型机械运动构件之间的摩擦将导致零件表面材料逐渐损耗或迁移，即形成磨损。一个零件的磨损过程大致可分为磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段对机械进行润滑是减少摩擦和磨损、提高机器效率、减少能量损失、降低材料消耗、保证机器工作可靠性的有效手段机械零件由于某种原因不能正常工作的情况，称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。本章小结选择机械零件的材料时，要满足零件的使用性能和工艺性能的要求，同时兼顾合理的经济性机械零件的结构工艺性是指其结构制造的可行性和经济性滑动摩擦有干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四种类型机械运动构件之间的摩擦将导致零件表面材料逐渐损耗或迁移，即形成磨损。一个零件的磨损过程大致可分为磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段对机械进行润滑是减少摩擦和磨损、提高机器效率、减少能量损失、降低材料消耗、保证机器工作可靠性的有效手段机械零件由于某种原因不能正常工作的情况，称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。金属材料的性能第三章金属材料的力学性能金属材料的工艺性能案例导入

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两个方面使用性能金属材料在使用过程中表现出来的性质和特点，主要包括力学性能、物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（如耐酸性、抗氧化性、耐热性等）工艺性能金属材料被加工成所需零件的难易程度，主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能等金属性能3.1金属材料的力学性能

金属材料的力学性能又称机械性能

它是指金属在力的作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、冲击韧性等。

金属力学性能是评定金属材料质量的主要判据，也是金属构件设计时选材和强度计算的主要依据3.1.1强度

金属在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度

变形是指在外力作用下，材料由于内部原子之间的位置发生改变而导致的宏观形状和尺寸的变化。

根据撤去外力后能否恢复，变形可分为弹性变形和塑性变形3.1.1强度

金属材料的强度通常由专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验.拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和相应的伸长量，测量其力学性能的试验

进行拉伸试验时，将试样两端分别紧固在拉伸试验机上，逐渐增加轴向拉力（又称拉伸力），连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据可以绘制拉伸力与伸长量之间的关系曲线，称为力—伸长曲线或拉伸曲线3.1.1强度

低碳钢的拉伸曲线阶段曲线特征力学性能OE段：弹性变形阶段直线试样长度随着拉伸力的增大而增大，撤去外力后，试样变形消失，恢复原长ES段：屈服阶段上下波动在该阶段，拉力一旦超过

，试样将发生塑性变形。当拉力增加到

时，在拉力不增加甚至略有减小的情况下，试样还将继续伸长，这种现象称为屈服SB段：强化阶段非线性增大需要不断地增加拉力，试样才能继续伸长。随着塑性变形的增大，试样抵抗变形的内力也逐渐增大，这种现象称为形变强化。

为整个拉伸过程中的最大拉力BZ段：缩颈阶段下降拉力达到最大值后，试样中间某处的直径会发生局部收缩，称为“缩颈”。由于横截面积减小，拉力不断减小力学特性3.1.2塑性

塑性是指金属断裂前发生不可逆永久变形的能力

塑性好的金属材料容易发生塑性变形，从而容易进行压力加工成形图3-6压力加工成型的轿车车门图3-7碰撞后的轿车车门3.1.3硬度

硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标

常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测定的硬度值分别称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度类别试验原理简图测试方法应用范围布氏硬度/

HBW采用直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球作为压头，以规定压力P挤压材料表面并保持规定的时间，测量圆形压痕的直径d，利用公式求出硬度值，或从专门编制的硬度表中查出对应的硬度值适用于测定各种退火及调质的钢材、非铁合金及铸铁等不太硬的工件，不适合测定太薄的工件洛氏硬度/

HR采用120°顶角的金刚石或直径为1.5875mm的钢球作为压头，以一定的压力挤压材料表面，根据压痕的深度计算材料的硬度。根据试验压力的不同，可分为三种标度：HRA，HRB和HRC适用于测定布氏硬度值大于450或尺寸较小的工件维氏硬度/

HV以相对面夹角为136°的正四棱锥形金刚石作为压头，以49.03～980.7N的载荷挤压材料表面并保持规定时间，测量压痕对角线的长度d，然后按公式计算硬度值由于压痕较小，适用于测定较薄工件、工具表面或带镀层工件表3-2三种硬度的比较3.1.4冲击韧性

冲击韧性是指金属材料断裂前吸收变形能量的能力

金属材料的冲击韧性通常由冲击吸收功来衡量。冲击吸收功可以通过一次摆锤冲击试验来测定图3-8冲击试验原理简图

试验中测定的冲击吸收功不能直接用于工程计算，只能作为判断材料冲击韧性的定性指标。3.1.5疲劳强度

零件在承受外部载荷作用时内部会产生应力，当外部载荷呈周期性变化时，应力也会作周期性变化，称为交变应力或循环应力

机械零件工作时需要承受交变应力的作用，虽然应力水平低于材料的屈服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发生断裂破坏，这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳

金属材料的疲劳性能由疲劳强度来衡量

疲劳强度是指金属材料承受无限多次交变载荷的作用而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用而不发生疲劳破坏的能力3.2.1金属材料的工艺性能

金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力称为金属材料的铸造性能，它反映了金属材料熔化浇注成为铸件的难易程度。

工业生产中，灰铸铁具有良好的铸造性能，因而被广泛用于铸造各种结构较复杂、大型的机械零件，如暖气片、钢管、管接头、车床底座等。3.2.2压力加工性能

利用金属材料在外力作用下产生塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法称为金属压力加工，又称为金属塑性加工。（a）轧制

（b）挤压

（c）冷拔

（d）锻造

（e）冷冲压

金属材料在压力加工过程中成形的难易程度称为金属材料的压力加工性能3.2.3焊接性能

通过加热或加压，或者两者并用，使两工件产生原子间结合的加工方法称为焊接。

金属材料在焊接过程中得到优质焊接接头的能力称为焊接性能，又称可焊性。（a）手工电弧焊

（b）气焊

（c）机器人自动焊3.2.4切削加工性能

切削加工性能是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量、切削工时等。

（a）车削

（b）铣削

（c）磨削

（d）钻削4.0金属材料及应用

钢铁材料在人们的日常生活和生产活动中具有非常广泛的应用，从厨房的锅碗瓢盆，到出行所乘的汽车、高铁，再到各种机械加工设备，都离不开钢铁材料。

（a）餐具

（b）剪刀

（c）钢桥

（d）推土机4.1金属材料的晶体结构

固态物质按原子排列的特点可分为晶体与非晶体两类。凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体；原子在空间无规则排列的固态物质，称为非晶体。

晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的。

这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。

晶格是由许多形状、大小相同的几何单元重复堆积而成的。其中能够完整地反映晶体特征的最小几何单元称为晶胞。（a）

（b）

（c）4.1金属材料的晶体结构

不同的金属具有不同的晶格类型，其中最常见的晶体结构有三种类型，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。晶格类型晶胞（质点模型、钢球模型）结构特点常见金属体心立方晶格立方体的八个顶角上各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子α-Fe，δ-Fe，Cr，V，Mo，W，Nb晶格类型晶胞（质点模型、钢球模型）结构特点常见金属面心立方晶格立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子γ-Fe，Al，Cu，Ni，Au，Ag密排立方晶格正六方柱体的十二个顶角和上，下面中心各排列一个原子，上下底面之间还均匀分布着三个原子Mg，Zn，Be，Cd，α-Ti4.2.1铁碳合金

钢铁主要由铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称为铁碳合金

通常情况下，将碳含量

在0.0218%到2.11%之间的铁碳合金称为钢；碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为纯铁；碳含量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。图4-3钢铁中碳含量的范围4.2.1铁碳合金

钢铁材料的性能与其内部的组织有重要的关系。铁碳合金在液态时，内部的铁和碳可以无限互溶；在固态时，根据碳含量的不同，碳可以与铁形成固溶体或化合物，或形成固溶体和化合物组成的混合物。这三种碳的存在形式形成了不同的碳钢组织，主要有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等。

（a）铁素体

（b）奥氏体

（c）渗碳体

（d）珠光体

（e）莱氏体4.2.2铁碳合金相图分析

铁碳合金相图是表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。图4-5相图4.2.3工业用钢根据化学成分分类根据是否含有合金元素，钢可分为碳素钢（又称碳钢）和合金钢根据冶金质量分类根据冶金质量（即杂质元素含量）的不同，钢可分为普通钢、优质钢和高级优质钢根据用途分类根据用途不同，钢可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢和专业用钢等。钢的分类4.2.3工业用钢钢的分类

工业用钢一般由专门的冶金厂生产，市场上供应的钢材种类有板材（薄钢板、中等厚度钢板、钢带等）、管材（焊接钢管和无缝钢管）、型材（圆钢、方钢、工字钢和槽钢等）、线材及其他异形钢材等。（a）钢板

（b）钢管

（c）工字钢

（d）线材4.2.3工业用钢

金属的牌号是指按照规定对金属材料进行的统一标准化编号。通常钢的牌号由大写的汉语拼音、化学元素符号、阿拉伯数字等组成。类别牌号示例含义说明碳素钢碳素结构钢Q235AF“Q”是“屈”字拼音的首字母，后面的数字表示屈服强度，单位为MPa；字母A表示钢的质量，从A到D质量依次提高；F，b，Z，TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。例如，Q235AF表示屈服强度为235MPa，A级质量的沸腾碳素结构钢优质碳素结构钢4565Mn两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之几计；后面的元素符号表示该元素的含量比较高。例如，45钢表示碳含量为0.45%的优质碳素结构钢碳素工具钢T8T11A“T”是“碳”字拼音的首字母，后面的数字表示钢中碳的平均含量，以千分之几计；若为高级优质碳素钢，在钢号后面加A。例如，T11A表示平均碳含量为1.1%的高级优质碳素工具钢合金钢合金结构钢30CrMnSiA60Si2Mn前面两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之几计；元素符号表示所含的合金元素，其平均含量小于1.5%时一般不标出，当平均含量依次为1.5%～2.5%，2.5%～3.5%，3.5%～4.5%……时，在元素符号的后面相应地加上数字2，3，4……；若为高级优质钢、特级优质钢，在钢号后面相应地加上A，E。例如，30CrMnSiA表示平均碳含量为0.30%，铬、锰、硅的平均含量均小于1.5%的高级优质合金结构钢合金工具钢8MnSi前面的数字表示钢的平均碳含量，以千分之几计，若平均碳含量大于1.0%，则一般不标出；合金元素平均含量的表示方法与合金结构钢相同。例如，8MnSi表示平均碳含量为0.8%，锰、硅含量均小于1.5%的合金工具钢特殊性能钢2Cr13平均含碳量以千分之几表示，但当平均含碳量不大于0.03%及0.08%时，钢号前分别加00及0表示。合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同表4-4部分钢的牌号及含义4.2.3工业用钢

工业用钢中，碳素钢的用量非常大。常用的碳素钢有碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢以及铸造碳钢等。表4-5常用碳素钢的牌号、性能及应用范围类别牌号举例性能特点应用范围碳素结构钢Q235塑性好，强度较低，能保证一定的力学性能，容易冶炼，工艺性能良好用于制造建筑、桥梁、船舶等领域的结构件，或者加工螺钉、螺母等力学性能要求不是很高的机械零部件优质碳素结构钢45热加工及切削性能良好，焊接性能较差，强度、塑性等综合力学性能良好用于制造受力较大的零件，如齿轮和普通轴等碳素工具钢T8工艺性能好，在热处理后可以获得很高的硬度，温度不高时耐磨性良好；但热硬性较差，淬透性较低用于制造形状简单、尺寸小、切削速度低、工作温度不高的工具，如模具冲头、剪刀等铸造碳钢ZG200-400具有较高的强度、塑性和韧性用于制造需要受力大并承受冲击载荷的零部件，如轧钢机底座、水压机底座、火车车轮及车钩等4.2.3工业用钢

为改善碳钢的机械性能，通常在炼钢时加入某些微量元素，如Mn，Si，Cr，Ni，Mo，W，V等，由此获得的钢材称为合金钢。类别牌号举例性能特点应用范围合合金结构钢低合金钢30CrMnSiA碳含量为0.12%～0.20%，磷、硫含量不大于0.45%，合金元素总量不大于3%，主要添加元素为硅、锰及少量的钛、钒、铌、铜及稀土元素等；具有较好的塑性、韧性和焊接性能，且冶炼较简单广泛用于制作各种机器零件和工程构件，如车辆大梁、房屋钢架、输油管道等合金

渗碳钢20CrMnTi含碳量一般为0.10%～0.25%，加入的合金元素主要有锰、铬、镍、钼、钒、钛、硼等；经淬火和低温回火后，具有较高的表面硬度和耐磨性，同时心部具有良好的强度和韧性，抗冲击载荷能力强适用于制造各类受冲击载荷作用的零部件，如变速齿轮、活塞销、轴类零件等合金

调质钢38CrMoAl含碳量一般为0.25%～0.50%，具有较高的强度和韧性；若调质后再进行淬火，可进一步提高钢件表面的耐磨性适用于制造汽车、拖拉机、机床等机器上的重要零件，如齿轮、连杆、轴类零件等类别牌号举例性能特点应用范围合合金工具钢刃具钢9SiCr具有高硬度、高耐磨性、高红硬性（红硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力）及一定的韧性和塑性适用于制造各类低速切削的薄刃刀具，如板牙、丝锥、铰刀等模具钢Cr12MoV5CrNiMo分为冷作模具、热作模具和塑料模具三类，其性能特点与用途有关适用于制造各种锻造、冲压、压铸等模具量具钢9Cr2含碳量通常高达0.90%～1.50%，并含有铬、钨、锰等碳化物组成元素适用于制造各类高精度量具，如块规、量规、卡尺、千分尺等特殊性能钢高速钢W6Mo5Cr4V2W12Cr4v5Co5含有钨、钼、铬、钒等合金元素，在高速切削产生的高温下（约500℃时）仍能保持较高的硬度（不低于60HRC）通用型高速钢适用于制造普通刀具，如钻头、锯条、滚刀、拉刀等；特殊用途高速钢适用于制造难加工金属（如钛合金、高温合金等）的切削刀具合金

弹簧钢60Si2Mn具有很高的抗拉强度、弹性极限及疲劳强度，一定的淬透性和良好的表面质量适用于制造各类弹簧及弹性零件合金

轴承钢GCr15具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及较高的弹性极限和良好的尺寸稳定性适用于制造各类轴承的滚珠、滚柱及轴承内外圈等不锈钢06Cr18Ni9Cu3主要的合金元素为Cr，其含量一般不低于10.5%；具有良好的耐蚀性、抛光性和耐热性适用于制造耐腐蚀零部件，如化工设备、容器、餐具等表4-6常用合金钢的牌号、性能及应用范围4.2.4铸铁

平均含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁

铸铁种类很多，根据碳存在形式的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三类白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁

碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色，由于具有很高的脆性和硬度，难以进行切削加工，故工业中很少直接用白口铸铁来制造机械零件

碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，具有一定的力学性能和切削加工性能，故在工业中灰口铸铁应用最为普遍

一部分碳以石墨形式存在，另一部分以渗碳体形式存在，断口呈灰白相间的麻点状，在工业中应用很少5.1金属材料的热处理

采用适当的方式对固态金属材料进行加热、保温及冷却，以获得预期所需的组织结构与性能的工艺过程称为热处理。

热处理的工艺过程，但基本上所有的热处理都需要经过加热、保温、冷却三个过程。

图5-1热处理工艺曲线5.1金属材料的热处理

钢的内部组织发生转变时的温度称为临界温度。通常情况下，钢在加热和冷却阶段都会发生组织转变

图5-2钢在加热和冷却时组织转变的临界温度5.1金属材料的热处理

热处理的种类很多，根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为整体热处理和表面热处理两大类。热处理整体热处理主要观点二主要观点三主要观点四表面热处理——退火、正火、淬火、回火、调质处理、时效处理等表面淬火——火焰加热、感应加热等化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等5.2.1钢的整体热处理

钢的整体热处理是指对钢件整体进行加热，经保温后以一定方法冷却，以改变钢件的内部组织和整体力学性能的热处理工艺方法。

退火是将钢件加热到适当的温度，经过一定时间的保温后，缓慢冷却（一般为随炉冷却）以使内部组织均匀化，从而获得预期力学性能的热处理工艺。对钢件进行退火的目的主要有以下几个方面。（1）降低材料的强度和硬度，提高塑性，为后续机械加工做准备。（2）减小材料内部组织的不均匀性，细化晶粒，消除内部应力。（3）为后续的热处理做好组织准备。5.2.1钢的整体热处理

不同成分的钢件在退火时所需的加热温度和冷却方式各不相同，通常可将退火分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀退火和去应力退火。（a）加热温度

（b）工艺曲线示意图5.2.1钢的整体热处理

不同成分的钢件在退火时所需的加热温度和冷却方式各不相同，通常可将退火分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀退火和去应力退火。（a）加热温度

（b）工艺曲线示意图类别处理方法特点应用范围完全退火将钢件加热到

以上30～50℃，保温一段时间后，随炉冷却或将钢件埋入沙、石灰中，待冷却至500℃时取出空冷降低钢件硬度，使组织均匀化，充分消除内应力，为后续机械加工做好组织准备适用于亚共析钢和合金钢的铸件、锻件和焊件等等温退火与完全退火的加热温度相同，先快速冷却到

以下的某一温度保温，待奥氏体转变为珠光体后出炉空冷细化组织和降低硬度，获得的组织比完全退火更均匀适用于中碳合金钢和低合金钢球化退火将钢件加热到

以上10～30℃、保温一段时间后，随炉冷却至600℃后取出空冷使钢件中碳化物球状化，以改善切削加工性能，减小后续淬火时工件的变形和开裂适用于碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢等，为后续淬火准备合适的组织均匀退火将钢件加热到

以上150～200℃，保温10～15h后缓慢冷却消除钢件内部化学成分的偏析和组织的不均匀性适用于合金钢的大型铸件或锻件去应力退火将钢件加热到

以下100～200℃左右，保温一段时间后，随炉冷却至250℃左右后取出空冷用于消除上一步加工工序产生的残余应力，以减小变形，发生组织改变但不发生相变主要用于锻造、铸造等毛坯的去应力处理，为后续冷热加工做准备表5-1几种退火方式的处理方法、特点及应用范围5.2.1钢的整体热处理

正火是将钢件加热到

或

以上30～50℃，经过一段时间保温后，在空气中冷却以得到珠光体组织的热处理工艺对钢件进行正火主要有以下几个方面的目的和应用。（1）提高低碳钢、低碳合金钢的硬度，改善切削加工性能。（2）细化晶粒，消除网状碳化物，为后续热处理工艺做好组织准备。（3）提高强度、硬度和韧性，可作为对力学性能要求不高的机械零部件的最终热处理5.2.1钢的整体热处理

淬火是将钢件加热到

或以上30～50℃，经过一定时间的保温后，在某种介质中快速冷却，以大幅提高材料硬度的热处理工艺。

钢件进行淬火时所使用的冷却介质称为淬火介质。

淬火时，所选择的冷却方式和冷却速度直接影响淬火的效果。冷却速度过快，钢件容易发生开裂和变形；冷却速度过慢，钢件无法达到所要求的性能。根据冷却方式的不同，淬火可分为单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。1—单介质淬火法；2—双介质淬火法；3—分级淬火法；4—等温淬火法图5-4各种淬火方法的冷却曲线示意图5.2.1钢的整体热处理类别处理方法工艺特点应用范围单介质淬火将加热保温后的钢件直接放入一种介质中连续冷却。一般非合金钢采用水作为淬火介质，碳钢采用油作为淬火介质操作简单、易于实现机械化；但在水中冷却时，容易造成钢件变形和开裂；在油中冷却时，难以达到所要求的硬度或硬度分布不均匀适用于形状简单、尺寸较小的钢件类别处理方法工艺特点应用范围双介质淬火先将加热保温后的钢件放入冷却能力强的介质中冷却，在钢件内部组织未向马氏体转变前将其取出，放入冷却能力弱的介质中冷却，如水+油、油+空气等能综合两种淬火介质的优点，高温时快速冷却可以获得较高的组织硬度，低温时缓慢冷却可以减少钢件的变形和开裂；但钢件在第一种介质中的冷却时间难以掌握，操作技术要求较高适用于形状复杂的高碳钢件或大型合金钢件分级淬火将加热保温后的钢件先放入接近马氏体转变温度的介质中冷却，如硝盐浴、碱浴，短时间停留后取出空冷能够减小钢件内部应力，显著减少变形和开裂适用于形状复杂、截面尺寸小、精度要求高的非合金钢件及碳素钢件等温淬火将加热保温后的钢件快速冷却至贝氏体转变所需温度区间（260～400℃），然后等温保持，以获得贝氏体组织能够有效提高其强度和硬度，并具有良好的韧性和耐磨性；但生产周期长，效率低适用于各种形状复杂、尺寸精度要求高、并要求具有良好综合力学性能的重要零件表5-2各种淬火方法的工艺特点及应用范围5.2.1钢的整体热处理

先对钢件进行淬火，再进行高温回火，这种复合热处理工艺称为调质处理，简称为调质。

调质处理可使钢件获得良好的综合力学性能，在具有较高强度和硬度的同时保持一定的韧性和塑性，通常用于丝杠、连杆、主轴、轴承等受力复杂的重要机械零部件。（a）丝杠

（b）连杆

（c）机床主轴

（d）轴承5.2.1钢的整体热处理

经塑性变形、铸造、锻造加工后的钢件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在较高的温度或室温环境中，存放一段时间，以使钢件的性能、形状、尺寸等发生缓慢变化直至稳定状态，这种热处理工艺称为时效处理，简称为时效。

人工时效是指将钢件重新加热到100～150℃，在较短时间内（5～20h）进行的时效处理；自然时效是指不经过加热，将钢件直接存放在室温条件下，长时间（半年或几年）放置而进行的时效处理；振动时效是指通过机械振动（如超声波）的方式来消除、降低或均匀工件内残留应力的工艺。5.3钢的表面热处理

表面热处理是指仅对钢件的表面进行加热，以改变表层组织结构和力学性能的热处理工艺。

根据工艺方法和原理的不同，表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。（a）曲轴

（b）凸轮轴

（c）传动齿轮5.3钢的表面热处理

仅对钢件表面进行淬火而不改变其组成成分的热处理工艺称为表面淬火。

根据加热方式的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火和激光热处理等。

将钢件置于加热线圈中，当加热线圈内通入交流电时，所产生的交变磁场会在钢件内部产生巨大的感应电流。感应电流的这种分布现象称为“集肤效应”,由于钢件具有电阻，因此钢件表面迅速加热升温，在几秒钟内即可达到800～1000℃，而心部温度变化较小。加热后迅速向钢件表面喷水冷却即可完成表面淬火。图5-7感应加热表面淬火原理示意图5.3钢的表面热处理

将钢件置于一定的介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的一种或几种元素渗入钢件表面，以改变表层的化学成分和组织，从而使钢件表层和心部具有不同的性能，这种热处理工艺称为化学热处理。

化学热处理的过程包括介质分解成活性原子、工件表面吸收活性原子和活性原子在内部扩散三个基本阶段。

钢的渗碳是指向低碳钢或低合金钢工件表面渗入碳原子，以提高表层含碳量，使钢件表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好韧性的表面热处理工艺图5-9气体渗碳原理示意图5.3钢的表面热处理

渗氮又称氮化，是将氮原子渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性的一种化学热处理方法。

为提高工件渗氮后的表层硬度、耐磨性和疲劳强度，必须选用渗氮钢，如38CrMoAlA，38CrNi3MoA等

碳氮共渗俗称氰化，是在一定温度条件下将碳和氮同时渗入钢件表面的化学热处理方法。碳氮共渗既具有渗碳的淬硬深度，又能获得渗氮的高硬度，因此能有效提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。工程构件的静力分析第六章静力学基本概念及其公理力矩和力偶受力分析平面任意力系案例导入

我国现代的高速动车组牵引运行、机床加工机械零件时，都会受到复杂的外力作用。因此，对机械的设计、制造及使用大部分都是以力学理论为基础的。图6-1（a）所示为动车组列车，它的最大运行速度如何确定？图6-1（b）所示为车削轴类零件，车刀的受力情况如何？（a）动车组列车（b）轴类零件加工6.1.1静力学的基本概念

工程中各种构件的受力问题以静力学为基础。静力学主要研究物体在力的作用下保持平衡时的各种规律。在学习静力学知识之前，需要了解一些基本的概念。

1.力的概念

力是物体与物体之间的相互机械作用。

力使物体的运动状态发生变化，称为力的外效应；力使物体的形状发生变化，称为力的内效应。2.平衡的概念

物体相对于惯性参考系（如地球）保持静止或做匀速直线运动的状态称为平衡。

实际上，任何物体都处于不断运动之中，故运动是绝对的，平衡是相对的。6.1.1静力学的基本概念3．刚体的概念在力的作用下形状和尺寸都不发生改变的物体称为刚体。4．力的三要素及表示方法力对物体的作用效果取决于力的三要素，即力的大小、力的作用方向和力的作用点

力是有大小和方向的物理量，所以力是矢量。矢量一般由黑体字母表示，如F表示力。图6-2人推汽车的推力6.1.1静力学的基本概念5．力系

作用于物体上的一组力称为力系。若物体在力系的作用下处于平衡状态，则这个力系称为平衡力系，力系平衡所满足的条件称为平衡条件。6.1.2静力学公理公理1二力平衡公理

刚体在两个力的作用下处于平衡状态的充分必要条件是：这两个力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，简称等值、反向、共线。

图6-3二力平衡

图6-4绳子受二力作用时的情形（a）受一对拉力作用（b）受一对压力作用6.1.2静力学公理公理2加减平衡力系公理

受已知力系作用的刚体上，加上或减去任意一个平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用效应。推论：力的可传性原理

作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的作用效应图6-5力的可传性6.1.2静力学公理公理3力的平行四边形法则

作用于刚体上某点的两个力可以合成一个合力，合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向可用这两个力所构成的平行四边形的对角线来表示。图6-6力的平行四边形法则推论：三力汇交定理

若刚体受到同平面内三个互不平行力的作用而平衡，则三个力的作用线必汇交于一点。6.1.2静力学公理公理4作用力与反作用力定律

两刚体间的作用力和反作用力总是同时存在，且大小相等，方向相反，沿同一直线分别作用在这两个刚体上。公理5刚化公理

变形体在某一力系的作用下处于平衡，如果将此变形体换成刚体，则平衡状态保持不变。6.2.1力矩和力偶力矩的定义

根据经验，用扳手拧螺母时，影响螺母转动效果的因素有：施力的大小、施力点与螺母圆心间的距离、力的转动方向。在力学中，用力对点的矩来度量上述三个因素对转动效果的影响，力对点的矩简称力矩，通常用

表示。

是一个代数量，用来表示力F使物体绕O点转动效果的大小，前面的正负号用来表示力矩的转动方向。通常规定，逆时针转向的力矩为正，顺时针转向的力矩为负。图6-8力对点的矩6.2.2合力矩定理合力矩定理

平面力系中，合力对平面内任一点O的力矩等于各分力对O点力矩的代数和，用公式表示为

由合力矩定理可知，在计算某力的力矩时，若力臂不易求出，可将该力分解为两个容易确定力臂的分力（通常是正交分解），然后可应用合力矩定理计算力矩。6.2.3力偶的概念和基本性质

由两个大小相等、方向相反，但不作用在同一条直线上的力组成的力系称为力偶力F与作用线之间的垂直距离d称为力偶臂

两个力的作用线所在的平面称为力偶作用面（a）双手转方向盘（b）用丝锥攻丝图6-10力偶的实例6.2.3力偶的概念和基本性质性质1力偶在任意坐标轴上的投影之和恒等于零性质2力偶没有合力，既不能与一个力等效，也不能简化为一个力性质3力偶对其作用面内任意一点的力矩恒等于力偶矩，与该点（即矩心）的位置无关性质4作用在同一个平面内的两个力偶，只要二者的力偶矩大小相等、转动方向相同，则这两个力偶矩等效。力偶的这种性质称为平面力偶的等效定理。（a）

（b）

（c）图6-11力偶的性质6.2.3力偶的概念和基本性质

平面内由两个或两个以上的力偶组成的系统称为平面力偶系。平面力偶系中各个力偶的作用可以等效为一个合力偶，合力偶矩等于各个力偶矩的代数和6.2.3力的平移定理力的平移定理

作用在刚体上的力可以等效地平移到刚体上任意指定点，但必须在该力与指定点所决定的平面内附加一力偶，其力偶矩等于原力对新作用点之矩。（a）

（b）

（c）图6-12力的平移定理6.3.1受力分析

运动的物体可以分为两类，一类是可以沿空间任意方向运动的物体，称为自由体

另一类物体由于受周围物体的限制而只能沿特定方向运动，称为非自由体

一个物体受到周围物体的限制时，这种限制称为该物体的约束

约束对物体运动的限制是通过力来实现的，这些约束中限制物体运动的力称为约束反力，简称约束力

（a）滑动导轨

（b）方向盘

（c）火车

图6-13非自由体6.3.2工程中常见的约束类型

约束力的大小通常是未知的，在静力学中，约束力和主动力组成平衡力系，可通过平衡条件来计算约束力。约束类型定义约束力的特点图示柔性约束由柔软的绳索、链条、传动带等物体所形成的约束称为柔性约束约束力通常用符号

表示，其作用点在接触处，方向沿柔索中心线背离物体，只能承受拉力而不能承受压力光滑接触面约束若两个物体直接接触，且接触面的摩擦力很小，可忽略不计，则这种光滑约束面所形成的约束称为光滑接触面约束约束力通常用符号

表示，其方向必沿接触面的公法线，且指向被约束的物体6.3.2工程中常见的约束类型约束类型定义约束力的特点图示铰链

约束固定铰链支座约束限制被约束物体间的相对移动，但不限制物体绕销轴转动的约束称为固定铰链约束约束力的符号用

，

表示，其大小和方向与零部件受力情况有关中间铰链约束与固定铰链约束相类似，区别在于中间铰链约束中销轴的空间位置不固定约束力的方向不定，一般用一对正交的约束反力

，

表示，其作用线通过铰链的中心活动铰链支座约束能限制构件沿支承面法向运动，而不限制切线方向运动的约束称为活动铰链约束约束力的符号用

表示，其方向通过铰链中心，与支承面相垂直固定端约束能限制物体在约束处沿任何方向移动和转动的约束称为固定端约束约束力为两个相互垂直的分力

，

和一个阻止转动的力矩M6.3.3受力图

在工程实际中，为了求出未知的作用力，需要利用已知力和平衡条件列平衡方程求解，为此必须先分析构件受哪些力的作用，并确定各个力的作用点和作用方向，这个分析过程称为物体的受力分析，所要求解的构件称为研究对象。

为了明确物体的受力情况，可以将研究对象从周围物体对它的约束中分离出来，单独画出它的简图，这个过程称为取研究对象或取分离体。解除约束后的物体称为分离体。表示出分离体上所有的已知力和未知力的图称为物体的受力图。6.4.1平面任意力系若力系中各力的作用线都在同一平面内，则该力系称为平面力系。类别定义图示平面汇交力系所有力的作用线都汇交于一点的平面力系称为平面汇交力系，如桁架的受力平面平行力系所有力的作用线均相互平行的平面力系称为平面平行力系，如火车车轮的受力平面力偶系由若干个力偶组成的平面力系称为平面力偶系，如联轴器的受力平面任意力系若平面力系中各力的作用线既不一定完全平行，又不一定完全汇交于一点，则这类力系称为平面任意力系，如活塞连杆的受力表6-2平面力系的分类6.4.2平面任意力系的平衡方程

平面任意力系是工程实际中最常见的一种力系，许多工程计算问题都可简化为平面任意力系的问题来处理图6-17平面任意力系的简化过程6.4.2平面任意力系的平衡方程

平面任意力系平衡的充分必要条件为：力系的主矢和对任意点的主矩都等于零，用公式表示为基本式二矩式三矩式表6-3平衡方程的三种形式构件的基本变形第七章拉伸与压缩剪切与挤压圆的扭转平面弯曲案例导入

生活和工程实践中的各种机械，不管结构和功能多么复杂，它们都是由许多构件组成的。任何构件在外力作用下，其形状和尺寸都会发生改变。图7-1工程实际中的构件变形案例导入

为了避免构件在使用中发生破坏，保证各种机械的正常工作，必须要求各个构件具有承受足够载荷的能力，简称承载能力。构件的承载能力包括强度、刚度及稳定性三个方面

强度：构件在载荷作用下抵抗破坏的能力。

刚度：构件在载荷作用下抵抗变形的能力。

稳定性：细长杆件或薄壁构件在受压时维持原有直线平衡状态的能力。杆件变形形式工程案例杆件受力简图变形图示轴向

拉伸或压缩剪切与挤压圆轴

扭转平面

弯曲7.1.1拉伸与压缩

受力方式都是受到沿轴线方向作用的两个大小相等、方向相反的拉力或压力，变形特点都是沿轴线伸长或缩短。杆件如在外力作用下，沿其轴向伸长，称为轴向拉伸；如在外力作用下，沿其轴向发生缩短，则称为轴向压缩。构件的这种变形称为拉伸变形或压缩变形.（a）轴向拉伸

（b）轴向压缩图7-2轴向拉伸与压缩简图7.1.2杆件拉压时的轴力和轴力图

作用于杆件上的载荷和约束反力统称为外力；杆件受外力作用时，材料内部颗粒间产生的保持其形状和大小不变的反作用力称为内力。

工程中通常采用截面法求杆件的内力，一般包括4个步骤，可归纳为切、取、代、求。切：假想用某一截面从要求内力处将杆件切开分成两段。取：取其中任意一段为研究对象，弃去另一段。代：将抛掉部分对留下部分的作用用内力代替。求：利用静力学中的平衡条件，列平衡方程并求解未知的内力。7.1.2杆件拉压时的轴力和轴力图

对于发生轴向拉伸或压缩变形的杆件，由于外力的作用线与杆件的轴线重合，由共线力系平衡条件可知，其任一截面内力的作用线必然也通过轴线，因此这种内力称为轴力，通常用符号

表示。

为了区分杆件拉伸或压缩时的不同轴力，对轴力的正负号作如下规定：若轴力的方向背离所取截面，则杆件发生拉伸变形，轴力取正号，称为拉力；若轴力的方向指向所取截面，则杆件发生压缩变形，轴力取负号，称为压力。（a）

（b）图7-4截面法求内力7.1.3轴向拉压时横截面上的应力

内力在截面上的集度称为应力。作用线垂直于截面的应力称为正应力，用

表示。

作用线平行于截面内的应力称为剪应力或切应力，用

表示。

杆件拉伸或压缩时，横截面上的切应力为零，而正应力沿横截面均匀分布，其大小可由下式计算7.1.4杆件的变形与胡克定律

杆件在受拉力作用时，会发生拉伸变形，具体表现为轴向尺寸变大，横向尺寸缩小。

绝对变形量的大小不能准确地反映杆件的变形程度.因此，需要用单位长度内的变形量来度量杆件的变形程度。对于Δl和Δb,有图7-6杆件的拉伸变形7.1.5杆件拉压时的强度计算

杆件由于变形超过允许的范围而丧失正常工作能力的现象称为失效。材料失效时的应力称为极限应力，可用

表示。

为了保证杆件能安全可靠地工作，必须在材料极限应力的基础上保留一定的强度余量，即把工作应力限制在比极限应力低的范围内。因此，可将极限应力除以一个大于1的系数n，使杆件的工作应力低于这个应力值。其中，系数n称为安全系数，所得的应力值称为材料的许用应力，用符号

表示。7.2剪切与挤压

工程中常用铆钉连接、销钉连接、焊接、键连接等方式来连接不同的构件，这些零件虽小，却起着传递运动和载荷的作用，它们在工作时都会发生剪切或挤压变形。（a）铆钉连接

（b）销钉连接（c）焊接

（d）键连接7.2.1剪切与挤压

杆件发生剪切变形的受力特点是杆件两侧面上外力的合力大小相等，方向相反，作用线距离很近。

变形特点是两合力作用线之间的截面发生相对错动，这种变形称为剪切变形。发生相对错动的截面称为剪切面。

杆件发生剪切变形时，在剪切面内会产生沿截面分布的抵抗剪切变形的内力，称为剪力，一般用表示

（a）

（b）

（c）7.2.1剪切与挤压

单位面积上的剪力称为切应力或剪应力，通常用

表示，单位为Pa或MPa。

通常情况下，各种连接构件在发生剪切变形的同时，由于局部压力较大，两构件在传递力的接触面上会出现压陷、起皱等塑性变形的现象，如图7-12所示。这种现象称为挤压变形。图7-12铆钉连接中的挤压变形7.2.1剪切与挤压

挤压力在挤压面上引起的应力称为挤压应力，常用

表示，单位为Pa或MPa。

（a）

（b）图7-13挤压面积的计算7.3.1圆轴扭转

受扭转作用的杆件工作时具有相同的受力特点。

在这对外力偶的作用下，杆件的横截面形状保持不变，但将绕其轴线产生相对转动。这样的变形称为扭转变形。通常把以发生扭转变形为主的杆件称为轴，在工程实际中，轴的横截面积大多为圆形，故又称圆轴。

圆轴在力偶M的作用下发生扭转变形，任意两个截面之间相对转过的角度称为扭转角，用符号

表示图7-16圆轴的扭转变形7.3.2扭矩和扭矩图

为保证用截面法求出的左、右两段轴上的扭矩具有相同的符号，通常采用右手螺旋法则来判定扭矩的正负号。图7-18右手螺旋法则判断扭矩符号7.3.3扭矩时横截面上的应力

研究表明，圆轴发生扭转变形时，横截面上只存在切应力，没有正应力。

工程中常见的圆轴有实心轴和空心轴两类，其抗扭截面模量的计算公式有所区别:1）实心圆轴2）空心圆轴图7-20扭转时截面上切应力的分布7.3.4扭转时的强度计算

为了保证圆轴发生扭转变形时具有足够的强度，必须使圆轴横截面上的最大切应力

不超过材料的许用切应力

。圆轴扭转的强度条件7.3.5扭转变形的刚度条件

理论分析表明，圆轴发生扭转时，任意相对截面间的扭转角

可由下式计算：

剪切弹性模量G与截面极惯性矩的

的乘积

称为圆轴的抗扭刚度。7.4.1平面弯曲

汽车大梁、火车轮轮轴、桥式起重机钢梁等杆件具有相同的受力特点：外力垂直于轴线或在轴线所在平面内受到力偶的作用；

具有相同的变形特点：构件轴线由直线变为曲线。这种变形称为弯曲变形图7-24梁截面的对称轴图7-25火车轮轴及直梁的纵向对称平面7.4.1平面弯曲

梁的结构形式很多，根据梁支座的不同，梁可简化为简支梁、外伸梁和悬臂梁等三种基本形式。简支梁一端是固定铰链支座，另一端是活动铰链支座的梁称为简支梁外伸梁支座与简支梁相同，一端或两端伸出在支座之外的梁称为外伸梁悬臂梁一端自由而另一端固定的梁称为悬臂梁（a）简支梁

（b）外伸梁

（c）悬臂梁图7-26梁的示意图7.4.1平面弯曲梁上的载荷可简化为集中力、集中力偶和分布载荷三种情况集中力集中力作用在梁上一段很小的范围内，可近似简化为作用于一点，如图7-27所示的力F.集中力偶作用在微小梁段上的外力偶，可近似简化为作用于一点，如图7-27所示的力偶M分布荷载分布载荷是指沿梁轴线方向、在一定长度上连续分布的力系，如图7-27所示的均布载荷q，其大小用载荷密集度表示。梁上荷载图7-27梁上的载荷7.4.2平面弯曲的内力——剪力和弯矩

梁在平面弯曲时所产生的内力可以采用截面法求解。

是作用线平行于横截面的内力合力，称为剪力；M是力偶面垂直于横截面的内力系的合力偶矩，称为弯矩。图7-28简支梁的弯曲内力7.4.2平面弯曲的内力——剪力和弯矩

为了保证梁弯曲时同一截面两侧的剪力和弯矩的符号分别相同，需要对梁任意截面内剪力与弯矩的正负号进行统一规定。1）剪力的正负号剪力的正负号规定为：截面上的剪力对梁上任意一点的矩为顺时针转向时，则该力所产生的剪力为正；反之则为负，如图7-29（a）所示。2）弯矩的正负号弯矩的正负号规定为：截面上的弯矩使得梁呈凹形，则该力所产生的弯矩为正；反之则为负，如图7-29（b）所示。（a）

（b）图7-29剪力和弯矩的正负号7.4.3绘制剪力图和弯矩图

为了描述梁弯曲时各横截面剪力或弯矩的分布情况，可用x表示横截面的位置，则剪力

和弯矩M是x的函数，即

两式分别称为剪力方程和弯矩方程。

同时，还可以用图线来描述剪力或弯矩随着截面位置变化而变化的情况，这种图线称为剪力图或弯矩图。7.4.4平面弯曲时的强度条件

通常情况下，梁在发生弯曲时，内力中剪力和弯矩同时存在，这种弯曲称为横力弯曲。在梁的纵向对称面内，两端同时施加大小相等、方向相反的一对力偶，则梁的横截面上只有弯矩，剪力为零，这种变形称为纯弯曲。图7-31纯弯曲变形

梁在发生纯弯曲时，横截面上只存在正应力而无切应力。由于纤维层从缩短区到伸长区是线性过渡的，故横截面上的正应力也是呈线性分布的，中性轴上的正应力为零，梁的边缘处正应力最大。图7-32纯弯曲时正应力的分布7.4.5平面弯曲的变形平面弯曲的变形通常由挠度和转角来描述。（a）桥式吊车

（b）车刀图7-35平面弯曲的变形

悬臂梁AB在外力F的作用下发生弯曲变形，轴线由直线AB变为光滑的曲线

该曲线称为弹性曲线或挠曲线。图7-36梁的挠度和转角7.4.5平面弯曲的变形梁受载简图端截面转角最大挠度7.4.5平面弯曲的变形梁受载简图端截面转角最大挠度平面连杆机构第八章概述铰链四杆机构的分