§1-2機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則§1-3機(jī)械制造常用材料及其選擇§1-1機(jī)械零件常見失效形式§1機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)知識第1頁，共61頁?；疽?/p>

重點及難點理解機(jī)械設(shè)計的基本要求、機(jī)械零件的工作能力、計算準(zhǔn)則、材料選擇的一般要求。機(jī)械零件的設(shè)計準(zhǔn)則。

第2頁，共61頁。機(jī)械零件的失效：機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求:工作可靠、成本低廉。強(qiáng)度—是零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表面失效（磨損、腐蝕除外）的能力。剛度—是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。機(jī)械零件由于某些原因而喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求性能時，稱為失效?！?-1機(jī)械零件常見失效形式第3頁，共61頁。機(jī)械零件的主要失效形式—斷裂。如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂—表面點蝕。工作表面片狀剝落—塑性變形。零件發(fā)生永久性變形—過大彈性變形—過度磨損—破壞正常工作條件。如過大振動和噪聲、過熱等強(qiáng)度問題剛度問題耐磨性問題第4頁，共61頁。機(jī)械零件的主要失效形式—整體斷裂—表面破壞—過大的殘余變形—過大彈性變形—破壞正常工作條件。如過大振動和噪聲、過熱等強(qiáng)度問題剛度問題耐磨性問題點蝕腐蝕磨損第5頁，共61頁。（一）斷裂

斷裂是指零件在載荷（拉、壓、彎、剪、扭等）作用下，其危險截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。軸承內(nèi)圈斷裂齒輪輪齒斷裂斷裂皮帶輪第6頁，共61頁。疲勞斷裂整體斷裂第7頁，共61頁。（二）塑性變形潘存云教授研制軸承外圈塑性變形當(dāng)零件的應(yīng)力超過材料的屈服極限時，零件將發(fā)生塑性變形。齒輪齒面塑形變形第8頁，共61頁。（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和疲勞點蝕。

腐蝕是發(fā)生在金屬表面的一種電化學(xué)或化學(xué)侵蝕現(xiàn)象。腐蝕的結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而零件表面遭到破壞。對于承受變應(yīng)力的零件，還要引起腐蝕疲勞。

磨損是兩個接觸表面在作相對運動的過程中表面物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

接觸疲勞點蝕是受到接觸變應(yīng)力長期作用的表面產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。第9頁，共61頁。處于潮濕空氣中或與水、汽及其它腐蝕性介質(zhì)相接觸的金屬零件均有可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；所有作相對運動的零件接觸表面都有可能發(fā)生磨損；而在接觸變應(yīng)力條件下工作的零件表面將有可能發(fā)生接觸疲勞。第10頁，共61頁。軸瓦磨損軸承滾道點蝕第11頁，共61頁。（四）彈性變形軸的彈性變形當(dāng)零件的彈性變形量過大時也會使機(jī)器的工作不正常。第12頁，共61頁。（五）破壞正常工作條件

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常地工作。高速轉(zhuǎn)子共振，帶傳動打滑，齒輪膠合。第13頁，共61頁。

失效原因:

統(tǒng)計結(jié)果顯示：-主要失效原因

強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。第14頁，共61頁。工作能力

在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。50kN吊鉤最大起重量——50kN工作能力或承載能力——50kN§1-2機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則第15頁，共61頁。防止失效的判定條件是：

工作能力計算準(zhǔn)則計算準(zhǔn)則——以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的零件工作能力計算依據(jù)的基本原則。主要有：強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、壽命準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則。第16頁，共61頁。機(jī)械零件設(shè)計的計算準(zhǔn)則

計算量<許用量1)強(qiáng)度準(zhǔn)則

零件在載荷作用下抵抗破壞的能力,確保零件不發(fā)生斷裂破壞、塑性變形、點蝕失效。工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力第17頁，共61頁。σlim即為材料的極限應(yīng)力，對于脆性材料：取σlim＝σB（強(qiáng)度極限），對于塑性材料：取σlim＝σS（屈服極限）?？紤]到各種偶然性或難以精確分析的影響，上式右邊要除以設(shè)計危險安全系數(shù)(簡稱安全系數(shù))，即：σ≤σlim/S即σ≤[σ]式中：安全系數(shù)S為大于1的數(shù)，S過大，雖安全但浪費材料；S過小，雖節(jié)省材料但趨，故S的選取應(yīng)適當(dāng)。[第18頁，共61頁。2)剛度準(zhǔn)則

在機(jī)器工作時，有時機(jī)器并沒有破壞，但是由于零件的變形而導(dǎo)致機(jī)器的失效或不能正常的工作，這就是剛度失效。機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。第19頁，共61頁。

剛度指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力，確保零件所產(chǎn)生的彈性變形不超過規(guī)定的限度。變形量<許用變形量式中：—分別是零件的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；

、、—分別是許用的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角。、、第20頁，共61頁。3)振動性和噪聲要求

當(dāng)機(jī)械或零件的固有振動頻率fp等于或接近受激振源作用所引起的強(qiáng)迫振動頻率f時，將產(chǎn)生共振。這不但影響機(jī)器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿?。因此，對于高速機(jī)械應(yīng)該進(jìn)行振動分析和計算，采取降低振動和噪聲的措施。

隨著機(jī)械向高速發(fā)展和人們對環(huán)境舒適性要求的提高，對機(jī)械振動和噪聲的要求也越來越高。第21頁，共61頁。4）耐磨性準(zhǔn)則

限制運動副的壓強(qiáng)p限制運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量pvp—工作表面上的壓強(qiáng)，MPa；[p]—材料的許用壓強(qiáng)，MPa；v—工作表面線速度，m/s；[pv]—pv的許用值，MPa·m/s。第22頁，共61頁。5）可靠性準(zhǔn)則★可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?！锟煽啃允呛饬慨a(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)機(jī)械產(chǎn)品常用的可靠性指標(biāo)主要有:失效概率F失效率λ?？煽慷萊第23頁，共61頁?；蛉缬幸淮笈∟0件）某種零件，在一定的工作條件下進(jìn)行試驗。如在時間t后仍有N件正常工作，則此零件在該工作環(huán)境條件下工作t時間的可靠度R可表示為：第24頁，共61頁。★浴盆曲線—描述機(jī)械產(chǎn)品典型的失效率λ（t）與時間t的關(guān)系的曲線。0ⅠⅡⅢ第Ⅰ階段：早期失效階段；零、部件存在的初始缺陷第Ⅲ階段：損壞階段。長期使用發(fā)生磨損、斷裂等第Ⅱ階段：正常使用階段；隨機(jī)的、偶然性失效率曲線第25頁，共61頁。

具體來說，并不是每一類型的零件都需要進(jìn)行所有上述的計算，而是從實際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的失效形式，再確定其計算準(zhǔn)則，必要時再按其它要求進(jìn)行校核。

機(jī)床主軸的失效可能是由于疲勞斷裂，可能是由于過大的彈性變形，也可能是共振，一般先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其強(qiáng)度、振動穩(wěn)定性。例如第26頁，共61頁。載荷和應(yīng)力分類載荷分類1）靜載荷與變載荷

靜載荷：不隨時間變化或變化極為緩慢的載荷。

變載荷：隨著時間作周期性變化或非周期性變化的載荷。2）名義載荷與計算載荷名義載荷：根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出的載荷。

計算載荷：考慮各種因素綜合影響計算的載荷。計算載荷名義載荷=K×載荷系數(shù)？第27頁，共61頁。應(yīng)力分類靜應(yīng)力：不隨時間改變或變化緩慢，只能在靜載荷作用下產(chǎn)生。

變應(yīng)力：隨時間作周期性或非周期性變化。FFⅠⅠtA第28頁，共61頁。FFⅠⅠ截面Ⅰ―Ⅰ所受應(yīng)力為變應(yīng)力其應(yīng)力變化圖形為：注意:變應(yīng)力既可由變載荷引起，也可由靜載荷引起。FtⅠⅠ變應(yīng)力―大小、方向隨時間變化的應(yīng)力AAFFFFFFFFFFt對稱循環(huán)變化的彎曲應(yīng)力由靜載荷F引起第29頁，共61頁。變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力——周期性循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力——非周期性循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力第30頁，共61頁。

表征變應(yīng)力的五個基本參數(shù)：最大應(yīng)力：最小應(yīng)力：

平均應(yīng)力：

應(yīng)力幅：

循環(huán)特性：

可用任意兩個參數(shù)來表示變應(yīng)力的大小。第31頁，共61頁。σ=常數(shù)σttσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1σm=0;σa=σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σm=σa=σmax/2非對稱循環(huán)變應(yīng)力r≠0且|r|≠1靜應(yīng)力r=+1OσtOσOσtO第32頁，共61頁。靜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問題主要失效形式：斷裂或塑性變形強(qiáng)度條件：σ≤[σ]或τ≤[τ]塑性材料：許用應(yīng)力：σlim、τlim—極限應(yīng)力s—安全系數(shù)σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσB、τB—材料強(qiáng)度極限σs、τs—材料屈服極限第33頁，共61頁。主要失效形式：疲勞斷裂疲勞斷裂不同于靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂，與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限，甚至比屈服極限低。疲勞極限：在循環(huán)特性為r的變應(yīng)力作用下，經(jīng)過N次應(yīng)力循環(huán)后，材料不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值。變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問題第34頁，共61頁。

機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟選擇零件類型、結(jié)構(gòu)選擇合適的材料由計算準(zhǔn)則確定零件的基本尺寸進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計校核計算，判定結(jié)構(gòu)的合理性畫出零件工作圖，寫出計算說明書計算零件上的載荷第35頁，共61頁。常用材料

機(jī)械零件所用的材料是多種多樣的，有鋼、鑄鐵、有色合金和非金屬材料等。但是金屬材料，尤其是黑色金屬材料，應(yīng)用的最為廣泛。金屬材料鑄鐵鋼——含碳量>2%鐵碳合金——含碳量≤2%鐵碳合金——銅、鋁合金有色金屬第36頁，共61頁。（1）鑄鐵

灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。工程上常用的主要是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（灰鑄鐵）、成本低廉?；诣T鐵和球墨鑄鐵屬脆性材料，不能輾壓和鍛造，不易焊接。第37頁，共61頁。

灰鑄鐵主要用來制造機(jī)架或殼座類零件和其它一些常見的不重要零件。

球墨鑄鐵強(qiáng)度較灰鑄鐵高且具有一定的塑性，可代替鑄鋼和鍛鋼用來制造曲軸、凸輪軸、油泵齒輪、閥體等。第38頁，共61頁。（2）鋼

與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。結(jié)構(gòu)鋼——用于制造各種機(jī)械零件；工具鋼——用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼——用于制造在特殊環(huán)境下工作的零件。按用途分：第39頁，共61頁。按化學(xué)成分分：碳素鋼低碳鋼：含碳量<0.25%，強(qiáng)度低，塑性高，具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接。用來制造螺釘、墊圈和焊接構(gòu)件。中碳鋼：含碳量0.3%～0.5%，綜合力學(xué)性能較好。常用做受力較大的螺栓、螺母、齒輪和鍵。高碳鋼：含碳量0.55%～0.75%，具有高的強(qiáng)度和彈性。用來制作彈簧、鋼絲繩等。含碳量越高,則鋼的強(qiáng)度越高、彈性越好，但韌性、塑性越低。碳素鋼合金鋼第40頁，共61頁。合金鋼

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了更高的要求，如更高的強(qiáng)度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損以及其它特殊物理、化學(xué)性能的要求，碳鋼已不能完全滿足要求。

為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素。所獲得的鋼種，稱為合金鋼。

合金鋼較碳素鋼價格高，對應(yīng)力集中亦較敏感，因此只用于碳素鋼難于勝任工作時才考慮采用。第41頁，共61頁。

在鋼中添加合金元素可改善鋼的性能，并可根據(jù)不同要求加入各種合金元素。

例如鉻鋼抗蝕性強(qiáng),不易氧化,可以制造化工生產(chǎn)上用的耐酸塔食品工廠設(shè)備；錳能提高鋼的耐磨性、強(qiáng)度、韌性，錳鋼硬度很大,可制金屬加工工具，拖拉機(jī)履帶和車軸等；鎳使鋼具有良好的淬透性和耐磨性，一般和鉻一起添加。第42頁，共61頁。

鋼號開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為0.45%的鋼，鋼號為“45”，在表明碳含量數(shù)字之后，用元素的化學(xué)符號表明鋼中主要合金元素，主要合金元素以百分之幾表示，平均含量少于1.5%時不標(biāo)。合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，平均碳含量為0.40%，主要合金元素Cr的含量在1.5%以下。15Cr18Ni9,平均碳含量為0.15%,平均含鉻量為18%，含鎳量為9%的鉻鎳不銹鋼。鋼號表示方法第43頁，共61頁。非金屬材料（1）橡膠

橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。橡膠不耐熱，在800C以上容易老化，在低溫下容易失去彈性。第44頁，共61頁。

塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性等，所以近年來在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛?？估瓘?qiáng)度比鋼低，硬度低，抗沖擊能力差。

（2）塑料塑料軸承第45頁，共61頁。鑄件表1常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。第46頁，共61頁。選用原則

設(shè)計零件時，選材是一項復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。應(yīng)根據(jù)零件用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)

從強(qiáng)度觀點來考慮的，應(yīng)在充分了解材料的機(jī)械性能的前提下來進(jìn)行選擇。

脆性材料原則上只適用于在靜載荷下工作的零件。在有沖擊的情況下，應(yīng)選擇塑性材料。第47頁，共61頁。零件的工作情況

零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損的程度等。

在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)有良好的防銹和耐腐蝕的能力，如選用不銹鋼、銅合金等。

復(fù)雜的零件宜選用鑄造毛坯，或用板材沖壓出元件再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度第48頁，共61頁。零件的尺寸及重量

零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。鑄造材料制造毛坯時，可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。零件尺寸和質(zhì)量的大小和材料的強(qiáng)重比有關(guān)，應(yīng)盡可能選用強(qiáng)重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。第49頁，共61頁。

材料本身的相對價格材料的加工費用材料的利用率采用組合結(jié)構(gòu)節(jié)約稀有材料材料的經(jīng)濟(jì)性材料的供應(yīng)狀況對于小批制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。第50頁，共61頁。熱處理通過熱處理能顯著提高鋼的機(jī)械性能，從而提高零件的使用壽命。據(jù)初步統(tǒng)計，在汽車中70%～80%的零件需要熱處理，而工模具及滾動軸承，則要100%進(jìn)行熱處理?？傊?，凡重要的零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂?。熱處理的作用鋼的熱處?把鋼在固態(tài)下加熱到一定的溫度進(jìn)行必要的保溫，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫，以改變鋼的內(nèi)部組織，從而得到所需性能的工藝方法。第51頁，共61頁。熱處理分類熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理滲碳滲氮第52頁，共61頁。退火:加熱→保溫→隨爐冷卻

正火:加熱→保溫→空氣冷卻

降低硬度，利于切削加工；消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性、韌性，以免零件在切削加工后或使用中發(fā)生變形和開裂。正火作用與退火相似，鋼的硬度和強(qiáng)度較高，區(qū)別是正火溫度高、冷速快，消除內(nèi)應(yīng)力不如退火徹底，但在爐外冷卻，生產(chǎn)率較高?？捎米饕话憬Y(jié)構(gòu)件的最終熱處理，中、低速機(jī)械。如：用冷拉鋼絲卷制的彈簧，卷成后要退火，以消除內(nèi)應(yīng)力，使其定型。第53頁，共61頁。極大提高鋼硬度及耐磨性，但脆性也隨之增大。各種工具，模具，量具,滾動軸承均需要通過淬火提高硬度和耐磨性。淬火:加熱→保溫→水中、油中冷卻鋼件淬火時因冷卻過快存在很大內(nèi)應(yīng)力和脆性，會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。通過回火降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力?；鼗?淬火鋼重新加熱→保溫→冷卻第54頁，共61頁。低溫回火中溫回火高溫回火消除一定正應(yīng)力，保持硬度、耐磨性。各類工具、滾動軸承。提高彈性極限，獲得較高韌性，硬度有所降低，如彈簧。獲得高的韌性，但硬度更低。齒輪，曲軸，連桿等(受交變載荷)硬度降低韌性提高調(diào)質(zhì)第55頁，共61頁。表面淬火一般用于中碳鋼和中碳合金鋼?？焖偌訜?，表面層達(dá)到淬火溫度，熱量來不及傳到中心就立即迅速冷卻。使表層獲得較高硬度、耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度，心部仍保持足夠的強(qiáng)度和韌性?；瘜W(xué)熱處理

工件放在某種化學(xué)介質(zhì)中加熱，保溫，使化學(xué)元素滲入工件表面，改善工件表面性能。

應(yīng)用：受交變載荷，強(qiáng)烈磨損，或在腐蝕，高溫等條件下工作的工件。第56頁，共61頁。滲碳淬火用于低碳鋼和低碳合金鋼常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。可使表層具有高硬度，芯部有足夠強(qiáng)度和韌性。向鋼件表面滲入氮的工藝，更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。滲氮齒輪硬度高、變形小，適用于內(nèi)齒輪和難于磨削的齒輪。常用材料有：42CrMo、38CrMoM等。滲氮第57頁，共61頁。小結(jié)