機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)概述（全）

第一章金屬材料的有關(guān)問(wèn)題

（一）金屬材料的機(jī)械性能

金屬零件受一定外力作用時(shí)，對(duì)金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料

具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能，這種性能稱之機(jī)械性能。金屬材料的機(jī)械性

能要緊包含：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度等。它們的具體數(shù)值是在專門

的試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定出來(lái)的。

1、金屬材料的變形與應(yīng)力

金屬材料受外力作用時(shí)引起的形狀改變稱之變形。變形分為彈性變形（當(dāng)外力取

消后，變形消失并恢復(fù)到原先形狀）與塑性變形（當(dāng)外力除去后，不能恢復(fù)到原先形

狀，保留一部分殘余形變）。

當(dāng)金屬材料受外力作用時(shí)，其內(nèi)部還將產(chǎn)生一個(gè)與外力相對(duì)抗的內(nèi)力，它的大小

與外力相等，方向相反。單位截面上的內(nèi)力稱之應(yīng)力。在拉伸與壓縮時(shí)應(yīng)力用符號(hào)。

表示。

σ=P∕F

式中：。一應(yīng)力，MPa;

P—拉伸外力，N；

F一試樣的橫截面積，mm2=

2、強(qiáng)度

強(qiáng)度是金屬材料抵抗塑性變形或者斷裂的能力。強(qiáng)度可通過(guò)拉力試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。將

圖（a）所示標(biāo)準(zhǔn)樣安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)其施加一個(gè)平穩(wěn)而無(wú)沖擊逐步遞增的軸

向拉力，隨著拉力的增加試樣產(chǎn)生形變?nèi)鐖D（B）直到斷裂如圖（C）o

以試樣的受拉力P為縱坐標(biāo)，伸長(zhǎng)值/L為橫坐標(biāo)，給制出拉伸曲線。

OE段：負(fù)荷與伸長(zhǎng)成線性關(guān)系，是材料的彈性變形階段。

金屬材料由彈性變形過(guò)渡到塑性變形時(shí)的應(yīng)力稱之彈性極限，用。e表示。

。e=Pc∕Fo

式中：Oe—彈性極限，MPa；

Po-材料開(kāi)始塑性變形時(shí)的負(fù)荷，N;

Fo-試樣原橫截面積，mm?

當(dāng)負(fù)荷超過(guò)E點(diǎn)，試樣開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，這一段曲線幾乎呈水平，說(shuō)明試樣在

拉伸過(guò)程中，負(fù)荷不增加甚至有降低，試樣繼續(xù)塑性形變，材料喪失了抵抗變形的能

力。這種現(xiàn)象稱之屈服。產(chǎn)生現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱之屈服點(diǎn)，用。，表示。

。s=Ps∕F0

式中：OS一屈服點(diǎn)，Mpa；

Ps—材料產(chǎn)生明顯形變時(shí)的負(fù)荷，N；

2

Fo-試樣原橫截面積，mmo

負(fù)荷超過(guò)S點(diǎn)后，形變量隨負(fù)荷增加而急劇增加，當(dāng)過(guò)B點(diǎn)，形變部位出現(xiàn)縮頸

現(xiàn)象，試樣已不能抵抗外力作用，在K點(diǎn)發(fā)生斷裂。試樣拉斷前能承受的最大負(fù)荷Pb

所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱之抗拉強(qiáng)度，用。人表示。

ɑb=Pb∕F.

式中：Qb—抗拉強(qiáng)度，Mpa；

P∣,—試樣拉斷前的最大拉力，N；

2

F0—原橫截面積，mm

屈服強(qiáng)度(Os),抗拉強(qiáng)度(Ob)與屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比。/。b)

是評(píng)定金屬材料質(zhì)量的重要機(jī)械性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)與選材的要緊根據(jù)之一。

3、塑性

塑性是金屬材料受外力作用時(shí)斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用兩種方法來(lái)表

zj?0

(1)伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，用6表示。

6=(Ll-L0)/L0×100%

式中：δ一試樣的伸長(zhǎng)率，%;

L1-試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；

L0-試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度，mm.

(2)斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原截面積的百分比，

用Φ表示。

式中“一試樣的斷面收縮率，%；

2

F0—試樣原橫截面積，mmO

F1-試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積，mm?。

6、巾的數(shù)值越大，說(shuō)明金屬材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金屬材料進(jìn)

行塑性加工的必要條件。

4^硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，通常說(shuō)，硬度高的材料耐磨性較好,

強(qiáng)度也比較高。硬度是評(píng)價(jià)金屬材料質(zhì)量的機(jī)械性能指標(biāo)，也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求的

技術(shù)條件之一。

生產(chǎn)中有不一致的測(cè)定方法，常用的有布氏硬度與洛氏硬度。

(1)布氏硬度：用一定直徑的鋼球或者硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，

經(jīng)規(guī)定保荷時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的

平均負(fù)荷作為布氏硬度值，用符號(hào)HBS(HBW)表示。

?

2P

HBS(HBW)=-----------..

πf>(D-√D2-d'}、

式中：HBS(HBW)—布氏硬度值，kgf-mm2:、

P—加在淬火鋼球上的負(fù)荷，kgf；/

D一淬火鋼球直徑，mm。

壓頭為鋼球時(shí)用HBS,適用于布氏硬度值在450下列

的材料，如鑄鐵與有色金屬。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)用HBW,適用于布氏硬度值在650

下列的材料。

(2)洛氏硬度：用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟，

硬度值越低。兩種硬度能夠利用特制的表格進(jìn)行換算。

硬度表示金屬材料在局部范圍內(nèi)對(duì)塑性變形的抗力，因此硬度與強(qiáng)度間有一定的

換算關(guān)系。

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負(fù)荷的能力。現(xiàn)在普通使用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)

定材料的沖擊韌性。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，材料受小能量多次重復(fù)沖擊的能力，要緊取決于材料強(qiáng)度。強(qiáng)度越高,

壽命越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中可不必過(guò)分追求高沖擊值。

6、疲勞強(qiáng)度

實(shí)際中許多工件所承受負(fù)荷的方向與大小是周期變化的。這種周期變化的負(fù)荷稱

之交變負(fù)荷。金屬工件在交變負(fù)荷作用下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱之金屬

疲勞。

在交變負(fù)荷作用下金屬工件所受應(yīng)力大小與斷裂前應(yīng)力交變循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。應(yīng)

力越大，則斷裂前能隨承受的循環(huán)次數(shù)越低。當(dāng)鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)達(dá)到IOl有色

金屬的循環(huán)次數(shù)達(dá)到i（r時(shí)，若試樣仍不發(fā)生疲勞破壞，其最大應(yīng)力稱之該材料的疲

勞極限。當(dāng)應(yīng)力交變循環(huán)對(duì)稱時(shí)，疲勞極限用。T表示。

生產(chǎn)中多數(shù)金屬工件是在交變負(fù)荷下工作的，疲勞破壞是破裂的要緊形式。因此

疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是材料的重要強(qiáng)度計(jì)算之一。另外，改善零件結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中；

降低表面粗糙度；采取表面強(qiáng)化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。

（二）金屬材料的其他性能

1、金屬材料的物理性能

包含比重、溶點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性與膨脹性等。工件用途不一致，對(duì)金屬材料的

物理性能要求不一樣

2、金屬材料的化學(xué)性能

要緊指金屬材料在定溫或者高溫條件下抵抗活潑介質(zhì)對(duì)其浸蝕的能力。

3、金屬材料的工藝性能

是金屬材料物理與化學(xué)性能的綜合，是否易于加工成型的能力。按工藝方法不一

致，工藝性能要緊有鑄造性能、鍛造性能、焊接性與切削加工性能。在設(shè)計(jì)零件及選

擇加工方法時(shí)要考慮材料的工藝性能。

（三）鐵碳合金的基本組織及性能

普通碳鋼與鑄鐵均屬鋼碳合金范疇，合金鋼與合金鑄鐵是有意加入合金元素的鐵

碳合金。鐵與碳是鋼鐵材料的兩個(gè)最基本的組元。

目前應(yīng)用的鐵碳合金，其含碳量均在6.69%下列，當(dāng)含碳量大于6.69%的鐵碳合

金脆性極大，沒(méi)有有用意義。含碳量小于2.IK的鐵碳合金稱之鋼，含碳量大于2.11%

的鐵碳合金稱之生鐵。

一切固態(tài)物質(zhì)，根據(jù)其內(nèi)部原子的聚集狀態(tài)可分為晶體與非晶體兩大類。晶體內(nèi)

部的原子在空間作規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石、石墨與所有的金屬都是晶體。非晶

體內(nèi)部的原子則雜亂無(wú)章地?zé)o規(guī)則的規(guī)程，如玻璃、瀝青、石臘與松香等都是非晶體。

大多數(shù)金屬在固態(tài)下的晶格保持不變，但是有些金屬，如鐵、鋅、錦、鎰、銅等在固

態(tài)下，隨著溫度的變化，其晶體結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種晶體形式的轉(zhuǎn)變稱之同素異

構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程也是重結(jié)晶過(guò)程。如純鐵的溶點(diǎn)為1534。C與912C時(shí)先后

發(fā)生兩次晶格形式的轉(zhuǎn)變；①在1538?1394C時(shí)為體心立方晶格，稱之?！F，②

1394~912°C為面心立方晶格，稱丫鐵，③在912°C下列為體心立方晶格，稱之α

——鐵。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵能夠進(jìn)行熱處理的重要根據(jù)。

各類金屬材料具有不一致的性能，這是由于其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的。在液態(tài)時(shí)，

鐵與碳能夠溶解為一個(gè)均勻的液相。在囿態(tài)時(shí)，它能夠形成固溶體、化合物或者混合

物。

固溶體是合金中一種組元（溶劑）溶解其他組元（溶質(zhì)），或者組元之間互相溶

解而形成的一種均勻固相，形成單一的均勻物質(zhì)，其中所溶解的組元在顯微鏡下也區(qū)

別不出來(lái)。

金屬化合物，是兩組元相互作用而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。其晶體

結(jié)構(gòu)與性能與兩組元都不一致，如鐵碳合金中鐵與碳構(gòu)成的碳化物稱之滲碳體，化學(xué)

式為Fe3Co

混合物是純金屬，固溶體或者化合物按一定重量比例構(gòu)成的均勻物質(zhì)。混合物中

多部分仍按自己原先的晶格形式結(jié)合而成晶體，顯微鏡下可區(qū)別出多組元的晶體。絕

大多數(shù)工業(yè)用合金都是混合物，其性能取決于這些混合物多部分的性能及它們的形

態(tài)、大小與分布。

鐵碳合金的基本組織：

（1）鐵素體：碳溶于a-Fe中的固溶體稱之鐵素體，符號(hào)為Fe。鐵素體含

碳量非常低，在727C時(shí)為0.0008%,其機(jī)械性能與純鐵相似，強(qiáng)度與硬度不高，塑

性與韌性好。

（2）奧氏體：碳溶于Y-Fe中的固溶體稱之奧氏體，符號(hào)為A。穩(wěn)固的奧氏

體存在溫度為727C,如今碳的溶解度為0.77%,奧氏體的強(qiáng)度，硬度與塑性都很好，

是大多數(shù)鋼進(jìn)行高溫鍛造或者軋制時(shí)所要求的組織。

(3)滲碳體：含碳量為6.69%的鐵與碳的金屬化合物，分子式FesC用符號(hào)

Cm表示。硬度高，塑性差，硬而脆，鋼中滲碳體數(shù)量增多，強(qiáng)度與硬度提高而塑性下

降。

(4)珠光體：是鐵素體與滲碳體的混合物，用P表示。顯微鏡下滲碳體與

鐵素體片層相間，交替排列。在平衡條件下珠光體的含碳量為0?77%,它的強(qiáng)度高，

塑性、韌性與硬度介于滲碳體與鐵素體之間.

(5)萊氏體：高溫狀態(tài)下奧氏體與滲碳體的混合物，用Le表示.其機(jī)械性

能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。

上述五種組織中，鐵素體、奧氏體與滲碳體是鐵碳合金的基本相。

碳素鋼中還含有少量的硅、銃、硫、磷，它們對(duì)鋼的組織與性能也有很大影響。硅

與鋅是有益元素，可溶于α-Fe內(nèi)，使鋼的強(qiáng)度與硬度提高。硫與磷是有害元素。硫以

FeS的形式存在，削弱了晶粒間連接，在軋制或者鍛造時(shí)會(huì)造成鋼材開(kāi)裂，此現(xiàn)象稱之

熱脆性。磷可與a-Fe相溶，形成脆性很大的Fe：,P,使鋼在高溫下塑性與韌性急劇下降,

此現(xiàn)象稱之冷脆性。

(四)鋼的分類與編號(hào)

1、鋼的分類

(1)按化學(xué)成分分類有：

①碳素鋼：根據(jù)含碳量多少又分為：

低碳鋼：含C量＜0.25%強(qiáng)度低,但塑性、焊接性好。

中碳鋼：0.25?0.60%之間，強(qiáng)度高塑性、焊接性差。

高碳鋼:含C量＞0.6%,塑性及焊接性都差，熱處理后有較高強(qiáng)度與硬度。

②合金鋼：加入一種或者數(shù)種合金元素的鋼稱合金鋼，比碳素鋼有較高強(qiáng)度與韌性,

或者有特殊性能。

(2)按質(zhì)量分類：

碳素鋼質(zhì)量的高低是根據(jù)鋼中雜質(zhì)一一磷、硫的含量來(lái)區(qū)分的

普通鋼：鋼中磷、硫的含量較高；

優(yōu)質(zhì)鋼：鋼中磷、硫的含量較低；

高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：鋼中磷、硫的含量很低。

(3)按用途分類：

①結(jié)構(gòu)鋼一一制造多種機(jī)械零件與工程結(jié)構(gòu)。

②工具鋼一一制造多種刃具、量具與模具。

③特殊性能鋼一一特殊的物理化學(xué)性能、如不銹鋼，耐熱、耐磨鋼等。

r普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

J乙類鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼

J優(yōu)質(zhì)“普通碳素結(jié)構(gòu)鋼”

碳素鋼

L碳素工具鋼

碳素工具鋼

鋼高紡優(yōu)質(zhì)碳素T具鋼

L低合金結(jié)構(gòu)鋼廠滲碳鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼

J機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)鋼

L低合金工具鋼J彈簧鋼

合金鋼合金工具鋼

-高“低合金工具鋼”

不銹鋼

特殊性能鋼

耐熱鋼

2、鋼的編號(hào)耐磨鋼

(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼

鋼的牌號(hào)有表示屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)的數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等四個(gè)

部分按順序構(gòu)成。

Q——鋼材屈服點(diǎn)“屈”字漢語(yǔ)拼音首位字母；

A、B、C、D——質(zhì)量等級(jí)；

F——沸騰鋼“沸”字漢語(yǔ)拼音首位字母；

b——半鎮(zhèn)靜鋼“半”字漢語(yǔ)拼音首位字母；

Z——鎮(zhèn)靜鋼“鎮(zhèn)”字漢語(yǔ)拼音首位字母；

TZ——特殊鎮(zhèn)靜鋼“特鎮(zhèn)”兩字漢語(yǔ)拼音首位字母；

(2)合金結(jié)構(gòu)鋼：

鋼的牌號(hào)有表示屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)的數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)三個(gè)部分按順序構(gòu)

成。

Q——鋼材屈服點(diǎn)“屈”字漢語(yǔ)拼音首位字母；

A、B、C、D——質(zhì)量等級(jí)；

(五)鋼的熱處理

鋼的熱處理是將固態(tài)金屬或者合金在一定介質(zhì)中加熱，保溫與冷卻，以改變其整

體或者表面組織，獲得所需性能的工藝方法。重要的零件要進(jìn)行熱處理，以提高金屬

材料的強(qiáng)度與硬度，改善材料的逆性與韌性等，充分發(fā)揮材料的潛力。

大多數(shù)的熱處理都要將鋼加熱到相變溫度以上，使其組織由鐵素體與滲碳體的混合

物轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體。只有奧氏體狀態(tài)才能通過(guò)不一致的冷卻方式轉(zhuǎn)變成不一致的

組織，從而使鋼獲得所需要的性能。

鋼的熱處理工藝要緊有退火、正火、淬火、回火與表面熱處理等。

1、退火

將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或者合金加熱到適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，然后緩慢冷

卻(通常隨爐冷卻)，以達(dá)到接近平衡狀態(tài)組織。根據(jù)退火目的將退火分為下列兩種：

(1)完全退火：使用最廣泛，要緊用于亞共析鋼(C<0.77%)鍛件，軋件與鑄

件退火，其目的是通過(guò)重結(jié)晶使晶粒細(xì)化，均勻組織，消除殘余應(yīng)力。

(2)球化退火：使鋼中碳化物呈球化，用于過(guò)共析鋼(含碳0.77%<C<2.1K)

與工具鋼，使?jié)B碳體球化，降低硬度提高韌性，改善工件切削加工性能，減少工件淬

火時(shí)產(chǎn)生變形與開(kāi)裂。

2、正火

將工件加熱后，保溫適當(dāng)時(shí)間后在自由流通的空氣中冷卻得到球光體組織。對(duì)低

碳鋼或者低碳合金鋼，正火目的是提高硬度改善切削加工性能。對(duì)過(guò)共析鋼或者合金

工具鋼，正火目的是減少滲碳體數(shù)量，便于球化退火。對(duì)不太重要的工件，目的是細(xì)

化晶粒，使組織均勻化，提高機(jī)械性能，可作為工件的最終熱處理。

3、淬火

將合金加熱到相變溫度以上，保溫，快速冷卻，獲得不穩(wěn)固組織。淬火后的工件

再配合適當(dāng)?shù)幕鼗?，使金屬材料達(dá)到使用要求。如刃具與模具要求高的硬度與耐磨性,

多種軸類與齒輪要求較好的韌性都是通過(guò)淬火與回火來(lái)達(dá)到的。

鋼件淬火通常用水、油與鹽、堿的水溶液作為淬火介質(zhì)，使用什么介質(zhì)取決于鋼

的化學(xué)成分及對(duì)工件的技術(shù)要求，形狀簡(jiǎn)單，截面較大的碳素鋼件多在水中淬火，合

金鋼與復(fù)雜的碳素鋼件多在油中淬火。

4、回火

為消除殘余應(yīng)力及獲得所要求的組織與性能，將淬火后的工件加熱到一定溫度保

溫，然后冷卻到室溫。淬火后的工件應(yīng)及時(shí)回火，這是由于淬火馬氏體是不穩(wěn)固的組

織，回火促使其組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保持工件使用過(guò)程中不再發(fā)生形狀與尺寸的改變，其

次回火可降低淬火工件的脆性，減少與消除內(nèi)應(yīng)力，最后回火可獲得要求的強(qiáng)度，硬

度與韌性，以滿足工件使用要求。

根據(jù)加熱溫度范圍，回火可分為低溫、中溫與高溫回火，其中低溫回火應(yīng)用于高

碳工具模具、量具、滲碳后表面淬火的工件；中溫回火用于多種彈簧、彈性?shī)A頭及鍛

模；高溫回火用于重要工件如軸、齒輪、連桿與螺栓等。

5、表面熱處理

僅對(duì)工件表面加熱、冷卻而不改變成分的熱處理稱之表面熱處理。最常用的是表

面淬火，使工件表層變硬，而心部仍保持原先的組織。表面淬火使工件表面具有較好

的硬度與耐磨性。

表面淬火有火焰加熱表面淬火與高頻感應(yīng)加熱表面淬火等。

火焰加熱是用氧氣一乙煥（或者氧氣一煤氣）混合氣體燃燒的火焰，噴射加熱工件表

面，然后再噴水冷卻，這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，淬硬速度快，成本低，但火焰加熱表面容

易過(guò)熱，淬火效果不穩(wěn)固。

利用中、高頻（頻率通常為500?30萬(wàn)HZ）高變電磁場(chǎng)在工件表面產(chǎn)生感應(yīng)電流

進(jìn)行加熱的熱處理工藝稱之感應(yīng)加熱表面淬火。感應(yīng)電流在工件截面上的分布是不均

勻的，心部電流幾乎等于零，表面電流密度極大，這個(gè)現(xiàn)象稱之集膚效應(yīng)。頻率越高,

電流密度極大的表層越薄。工件表層可迅速被加熱，幾秒鐘即可使溫度升高800?

IOOO0C,而心部仍接近室溫。一但表層溫度上升到淬火加熱溫度時(shí)，立即噴水冷卻（合

金鋼浸油淬火），表面形成馬氏體，工件表面變硬。

這種方法較為先進(jìn)，生產(chǎn)率高，加熱溫度與淬硬層容易操縱，淬火質(zhì)量好，但是

設(shè)備昂貴，要緊適用于大批生產(chǎn)。

6、化學(xué)熱處理

將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或者幾種元素滲入它的表面，改

變表面的化學(xué)成份，組織與性能，提高工件表面的耐磨性、耐腐蝕性及抗氧化性等。

常見(jiàn)的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮與碳氮共滲等。

滲碳多用氣體滲碳，在專用井式電阻爐中進(jìn)行。滲碳后，工件表層0.5?2.0mm

范圍內(nèi)含碳量可提高0?85~1.0%,滲碳后，工件還要進(jìn)行淬火與低溫回火。適用低碳

鋼與低碳合金鋼，提高工件表面硬度，耐磨性與使用壽命。

滲氮也稱氮化。氮化可使工件表面得到一定的氮化層，有更高的硬度與耐磨性，

高的耐疲勞強(qiáng)度。滲氮沒(méi)有相變，不需淬火，變形也很小。但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，

成本高。

碳氮共滲也叫氧化。碳氮共滲時(shí)通入碳氮?dú)怏w與一定數(shù)量的干燥無(wú)水的氨氣，使

其發(fā)生分解，形成活性碳原子與氮原子，同時(shí)被工件表面吸附并擴(kuò)散形成氟化層。氟

化過(guò)程加熱溫度較低（820?840℃）,氧化后可直接淬火或者冷卻后再加熱淬火。碳

氮共滲工件變形小，滲層有較高的耐磨性，疲勞強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。但其工藝復(fù)雜，用

于形狀復(fù)雜、要求變形小的小型耐磨零件，如儀表與縫紉機(jī)零件等。

第二章機(jī)械零件的聯(lián)接與緊固

機(jī)械零件的連接與緊固方法很多，要緊有焊接、螺紋連接、獅釘連接、銷釘連接、

鍵連接等等，這里要緊介紹焊接與螺紋連接

（一）焊接

1、焊接特點(diǎn)

通過(guò)焊接，被連接的焊件不僅在宏觀上建立了永久性的聯(lián)系，而且在微觀上建立

了金屬內(nèi)部組織之間的內(nèi)在聯(lián)系，其連接表面接近到原子間的結(jié)合力的程度，因此，

焊接時(shí)往往使用加熱或者加壓或者兩者并用的措施，以實(shí)現(xiàn)連接表面間的原子結(jié)合。

2、焊接方法

（1）熔焊：焊件連接處局部加熱到熔化狀態(tài)，再冷卻凝固成一體，不加壓完成焊接。

按加熱熱源形式分為氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。

（2）壓焊：焊接過(guò)程中對(duì)焊件施加壓力（加熱或者不加熱），如電阻焊、摩擦焊等。

（3）釬焊：使用低熔點(diǎn)的填充金屬（稱之釬料），熔化后與固態(tài)母材相互擴(kuò)散形成

金屬結(jié)合。

3、焊接分類

4、焊接應(yīng)用

（1）制造各類金屬構(gòu)件：房屋房架、橋梁、船體、車輛、飛機(jī)、火箭、壓力、

容器、管道、起重機(jī)、鍋爐……。

（2）生產(chǎn)機(jī)器零件（或者毛壞）、大型機(jī)件可達(dá)幾十噸、百噸。

（3）修補(bǔ)鑄、鍛件的缺陷與局部受損零件。

5、焊接結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

（1）焊接接頭的組織與性能有較大的不均勻性；

（2）焊接結(jié)構(gòu)有較大的焊接應(yīng)力與變形，不僅影響形狀與尺寸，且降低結(jié)構(gòu)

與承載能力；

（3）焊接接頭容易產(chǎn)生缺陷，且應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，在一定條件下，焊接結(jié)

構(gòu)比鉀接結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)脆斷事故。

6、電弧焊與電渣焊簡(jiǎn)介

焊件局部被加熱到熔化狀態(tài)，形成金屬熔池，填充金屬以熔滴形式向熔池

過(guò)渡。手弧焊最常用。焊條藥皮在熔化過(guò)程中，產(chǎn)生一定量的保護(hù)氣體與液態(tài)

熔渣，起隔絕空氣的作用。液態(tài)熔渣在熔池中浮起，起保護(hù)液態(tài)金屬的作用。

與通常冶煉過(guò)程相比較，焊接電弧與熔池溫度比通常冶煉溫度高，金屬元

素強(qiáng)烈蒸發(fā)與燒損，又由于熔池體積小，從熔化到凝固的時(shí)間又短，溫度變化

快，冶金反應(yīng)的速度與方向變化迅速，如氣體與熔渣不及時(shí)浮出就會(huì)在焊縫中

產(chǎn)生氣孔與夾渣的缺陷。

假如低碳鋼，使用光焊絲，由于熔化金屬缺乏保護(hù)，空氣中的氮、氧大量

侵入，焊縫質(zhì)量顯著變壞。此外空氣中的水份、焊件、焊絲表面的油、銹、水,

使焊縫含氫量增加，引起氫脆性，導(dǎo)致冷裂紋與形成氣孔。

為了保證焊縫質(zhì)量，務(wù)必采取措施，去除有害物質(zhì)，增加合金元素。

7、焊條及其編號(hào)

焊條由焊芯與藥皮構(gòu)成。

焊芯在焊接中作為電極，傳導(dǎo)電流，產(chǎn)生電弧。焊芯的質(zhì)量至為重要，通

常使用通過(guò)特殊冶煉的焊接專用鋼絲（稱焊絲），其化學(xué)成份不一致，用途也不

一致。焊絲牌號(hào)前面第一個(gè)字符“H”，表示焊條用鋼，如H08,H08A,H08MnΛ,

H08Mn2SiA,HlOMn2等，國(guó)標(biāo)有規(guī)定。

藥皮是涂在焊絲外面的涂料層。焊條藥皮按其作用分為穩(wěn)弧劑，造氣劑、

造渣劑、脫氧劑、合金劑與粘結(jié)劑等。藥皮的原材料由礦物、鐵合金、有機(jī)物

與化工產(chǎn)品等四類。多種原材料粉末按一定比例配成涂料，壓涂在焊芯上。

焊皮按熔渣化學(xué)性質(zhì)分為兩大類：以酸性氧化物（如：SiO2、TiO2等）為主

的焊條稱之酸性焊條；以堿性氧化物（如Cao等）與熒石（CaF2）為主的焊條

稱之堿性焊條。

焊條牌號(hào)分為十大類：結(jié)構(gòu)鋼焊條、銅與格銅耐熱焊條、不銹鋼焊條、堆

焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、銀及銀合金焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁

合金焊條、特殊用途焊條。

焊條牌號(hào)及意義舉例：

□X×X

-------表示藥皮類型與焊接電源種類、

-------------------表示各大類中的若干小類r詳見(jiàn)有關(guān)表格內(nèi)容

------------------------------表示焊條各大類，

酸性焊條與堿性焊條的性能差別很大，使用時(shí)不可隨意代替。

酸性焊條操作工藝性好（如穩(wěn)弧性好，容易脫渣，飛濺少、成形美觀），對(duì)

油、銹與水的敏感性不大，抗氣孔能力強(qiáng)，焊接電源可使用交流或者直流。因

此酸性焊條廣泛用于通常結(jié)構(gòu)的焊接。結(jié)構(gòu)鋼焊條中，除低氫鉀型與低氫鈉型

藥皮外均為酸性焊條。

堿性焊條脫氧能力強(qiáng)，藥皮中有能起去氫作用的熒石，所堿性焊條焊縫金

屬含氫量低，抗裂性好，常用于焊接重要的焊接結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是對(duì)油、銹與水

的敏感性大，使用不當(dāng)易產(chǎn)生氣孔，藥皮中CaF,產(chǎn)生的氟阻礙氣體電離，電弧

穩(wěn)固性差，通常要求使用直流電，焊接時(shí)有毒煙塵多，應(yīng)注意通風(fēng)與防護(hù)。

8、焊接變形與應(yīng)力

焊接變形與應(yīng)力的形成原因，是由于焊接接頭區(qū)域受不均勻加熱與冷卻的

作用，其膨脹與收縮受四周冷金屬的拘束不能自由進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生焊接變形與殘

余應(yīng)力。焊接變形與應(yīng)力總是同時(shí)存在，相互聯(lián)系的，通常情況下，若母材塑

性較好與結(jié)構(gòu)剛性較小，則變形較大而應(yīng)力較小，反之應(yīng)力大而變形小。常見(jiàn)

焊接變形有：縮短變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪形變形。

出由螂

(1)預(yù)防焊接變形的工藝措施

①反變形法

②剛性固定法

用壓板固定可減少變形，但會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力。

③使用合理的焊接順序

對(duì)1米以上焊縫可使用逐步退焊法、跳焊法、分中逐步退焊法；對(duì)中長(zhǎng)焊縫

（0.5~1米長(zhǎng)）可使用分中對(duì)稱焊法。

（2）焊接變形的矯正

①機(jī)械矯正法：適于塑性好的材料，如低碳鋼與普通低合金鋼。

②火焰矯正法：局部加熱工件，利用加熱時(shí)發(fā)生的壓縮塑性變形與冷卻時(shí)

的收縮變形、矯正原先的變形，僅適用于低碳鋼與沒(méi)有淬硬傾向的普通低合金

鋼。

（3）焊接應(yīng)力：

由圖看出，焊縫及其鄰近的壓縮塑性變形區(qū)內(nèi)的?？v為拉應(yīng)力，其數(shù)值可達(dá)到

材料的屈服強(qiáng)度。5（焊縫尺寸過(guò)小時(shí)除外）。

（4）減少焊接應(yīng)力的工藝措施

①選擇合理的焊接順序：拼板時(shí)先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，后焊直通的長(zhǎng)焊縫。

②焊前預(yù)熱：減少焊件各部分溫差，降低焊后冷卻速度，減少殘余應(yīng)力。

③錘擊焊縫，焊完一道焊縫后，用一定形狀的錘均勻迅速錘擊焊縫金屬，使之

得到延伸，可降低殘余應(yīng)力，又可減少焊接變形。

④加熱適當(dāng)部位，使之伸長(zhǎng)。焊后冷卻時(shí)，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，以減少殘

余應(yīng)力。

（5）消除焊接殘余應(yīng)力的方法：

重要焊接結(jié)構(gòu)焊后均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。常用消除應(yīng)力退火（也稱高溫

回火）來(lái)消除殘余應(yīng)力。通常在爐中加熱到600~650°C,保溫一定時(shí)間后隨爐

冷卻（或者空冷），可消除80%以上殘余應(yīng)力。

9、焊接結(jié)構(gòu)的工藝性

焊接結(jié)構(gòu)工藝性包含材料選擇、焊縫布置與焊接接頭設(shè)計(jì)。

①焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇

材料不一致，焊接的難易程度差別很大，應(yīng)選擇焊接性能良好的金屬材料

制造焊接結(jié)構(gòu)。低碳鋼與強(qiáng)度級(jí)別不高的普通低合金鋼（如16Mn等）具良好的

焊接性，易于保證焊接質(zhì)量。

不一致種類的兩種金屬焊接難度很大，通常應(yīng)盡量避免使用。

②焊縫布置原則

令焊縫位置應(yīng)便于焊接操作，焊條要能伸到焊接部位。

令焊縫應(yīng)躲開(kāi)應(yīng)力較大部位，特別應(yīng)力集中部位（應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置）

焊縫要躲開(kāi)受力點(diǎn)，如焊縫不宜在轉(zhuǎn)角位置。

令焊縫應(yīng)避免過(guò)分集中與交叉。

令焊縫設(shè)置應(yīng)盡可能對(duì)稱，以減少?gòu)澢冃巍?/p>

令盡量減少焊縫長(zhǎng)度與數(shù)量。

令焊縫通常應(yīng)躲開(kāi)加工部位（或者加工表面）。

③接頭設(shè)計(jì)

令接頭形式選擇

多種形式接頭，要從變形及應(yīng)力狀態(tài)方面進(jìn)行比較與選擇。常見(jiàn)桁架結(jié)構(gòu)

多使用搭接接頭。薄板氣焊多使用卷邊接頭。

各種接頭型式

令坡口型式選擇

v理

4?:

-口合理

管板溶理接頭

（?rv?」I-

雙IJ形坡口

對(duì)接接頭的坡口型式

手弧焊常用坡口有I形、V形、X形及U型四種坡口，可用氣割、切削加工

（刨、車削等）等方法加坡口，不一致型式適用于不一致厚度金屬板焊接。通

常，要求焊透的受力焊縫盡量使用雙面焊，利于保證質(zhì)量，不能雙面焊的工件

可使用單面焊雙面成形技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的坡口形式。

I形坡口單邊V形坡口K形坡口

T型接頭的坡口型式

令接頭斷面設(shè)計(jì)原則

焊接接頭兩側(cè)板厚或者斷面應(yīng)相同或者接近，使接頭兩側(cè)加熱均勻。

對(duì)接不一致厚度鋼板的重要受力接頭時(shí)，若兩板厚度差不超過(guò)下表規(guī)定，

坡口形式與尺寸按厚板選取，若板的厚度差超過(guò)表中規(guī)定，在厚板上做單面或

者雙面削薄弱，其削薄長(zhǎng)度L23-4（3-61）。

不一致厚度鋼板對(duì)接的同意厚度差（Inm）

較薄的厚度_____________22~5>5~9>9~12>12

同意厚度差（6-δl）1234

（二）螺紋聯(lián)接

螺紋聯(lián)接因其構(gòu)造簡(jiǎn)單，拆裝方便,

都已標(biāo)準(zhǔn)化，批量生產(chǎn)，成本低廉，聯(lián)接

可靠，有足夠的強(qiáng)度、剛度與自鎖性，廣

泛用于各類金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)中。

1、螺紋及螺紋聯(lián)接的要緊參數(shù)

螺紋的外表面是圓柱螺旋線。圓柱螺

旋線是沿著圓柱表面運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)的軌跡,該

點(diǎn)的軸向位移a與相應(yīng)的角位移a成正比，在圓柱表面上,沿著螺旋線所形成

的連續(xù)凸起與溝槽稱之螺紋。

螺紋由外螺紋與內(nèi)螺紋構(gòu)成，按照母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋與圓錐螺

紋。根據(jù)牙型可分為三角螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋與鋸齒形螺紋。三角形螺

紋用于聯(lián)接，后三種螺紋用于傳動(dòng)。

螺紋的要緊參數(shù)有：

①線數(shù)：假如有兩個(gè)以上的動(dòng)點(diǎn)，同時(shí)在同一個(gè)圓柱面上作同樣的螺旋運(yùn)動(dòng)，

且軸向?yàn)榈染喾植紩r(shí)，則形成多線螺旋線。螺旋線的條數(shù)稱之螺紋的線數(shù)，用

n表不。

②旋向：點(diǎn)沿圓柱表面運(yùn)動(dòng)的角位移方向與軸向位移方向不一致，螺旋線有右

旋與左旋之分，螺釘順時(shí)針旋入的

稱之右旋螺紋，逆時(shí)針旋入的稱左

旋螺紋，常用大多數(shù)螺紋都是右旋

的。

③牙型角α,牙型半角a/2：在

螺紋牙型上，連接牙頂與牙底的側(cè)表面稱之牙側(cè)，相鄰牙側(cè)間的夾角α叫牙型

角。牙側(cè)與螺紋軸線的垂線的夾角a/2叫牙型半角。

④外徑（大徑）d：與外螺紋牙頂或者內(nèi)螺紋牙底相重合的假想圓柱面的直徑

叫螺紋外徑（或者大徑），亦稱公稱直徑。

⑤內(nèi)徑（小徑）dl:與外螺紋牙底或者內(nèi)螺紋牙頂相重合的假想圓柱面的直徑

叫螺紋內(nèi)徑（或者小徑）。

（6）中徑cL:指一個(gè)假想的中徑圓柱的直徑，該圓的母線通過(guò)牙型上溝槽與凸起

寬度相等的地方。

⑦螺距P：相鄰兩牙在中線上對(duì)應(yīng)相點(diǎn)間的軸向距離。

⑧導(dǎo)程S：同一條螺旋線上相鄰兩牙在中線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離，S=nP,

對(duì)單線螺紋而言，因n=l,因此S=P°

⑨螺旋升角巾：在中徑圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角,

用于聯(lián)接的螺紋要緊有：普通螺紋與管螺紋。普通螺紋牙型角60°,以外

徑d為公稱直徑。同一公稱直徑可有多種螺距的螺紋。其中最大螺距的螺紋叫粗

牙螺紋，其余的都叫細(xì)牙螺紋。通常聯(lián)接常用粗牙螺紋，據(jù)公稱直徑查標(biāo)準(zhǔn)選用。

細(xì)牙螺紋升角小，自鎖性好。細(xì)牙螺紋比粗牙螺紋釘桿強(qiáng)度高，但不耐磨，易滑

扣，多用于薄壁零件。

管螺紋有牙型角55。的英制細(xì)牙螺紋，公稱直徑為管子內(nèi)徑，還有圓錐管

螺紋，牙型角有55°與60°兩種，不一致填料即可保證聯(lián)接緊密性。

2、螺紋聯(lián)接的要緊型式，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接零件

螺紋聯(lián)接的要緊型式有：

①螺栓聯(lián)接：當(dāng)被聯(lián)接件不太厚時(shí)，用普通螺栓貫穿兩個(gè)（或者多個(gè)）

被聯(lián)接的孔，再擰緊螺母，此種應(yīng)用最廣。

②螺釘聯(lián)接，如被聯(lián)接之一較厚，即可使用螺釘聯(lián)接。螺釘擰入深度與

螺釘及被聯(lián)接件的材料有關(guān)，按等強(qiáng)度條件決定的最小擰入深度可查有關(guān)手冊(cè)。

此種聯(lián)接不適于經(jīng)常拆卸的聯(lián)接，經(jīng)常拆卸可使螺孔磨損導(dǎo)致修理困難及被聯(lián)接

件的報(bào)廢。

③雙頭螺柱聯(lián)接：用于被聯(lián)接件之一較厚而又經(jīng)常拆裝的場(chǎng)合。拆裝時(shí)

只需卸下螺母，不必?cái)Q出螺柱。

設(shè)計(jì)時(shí)注意雙頭螺柱務(wù)必緊固。在擰松螺母時(shí)，保證螺柱在螺孔中不得轉(zhuǎn)

動(dòng)。

雙頭螺柱聯(lián)接常用的緊固方式如下頁(yè)圖所示:

其中：

(a)利用過(guò)盈配合螺紋，擰入螺紋孔，構(gòu)成旋合全長(zhǎng)橫向收緊；

(b)利用螺紋收尾部分(不完全螺紋)擠入螺紋孔構(gòu)成局部橫向收緊;

(c)利用擋環(huán)端面抵緊螺紋孔，并使螺柱軸向定位;

(d)利用螺柱頂部結(jié)構(gòu)，抵緊螺紋

孔底面，構(gòu)成軸向固緊。

④緊定螺釘聯(lián)接：將釘擰入

一個(gè)零件的螺紋孔，使釘?shù)哪┒隧斪?/p>

另一零件表面或者頂入相應(yīng)的坑穴。

它要緊用于固定兩零件的相互位置，

不宜傳遞很大的力或者力矩。

螺紋聯(lián)接用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件要緊有

下列六種：

①螺栓：按加工精度不一致

分為粗制螺柱與精制螺栓兩種。螺栓

頭部常用的有標(biāo)準(zhǔn)六角頭，小六角頭、方頭

②雙頭螺柱：兩端均制有螺紋，共擰入機(jī)體端的螺紋長(zhǎng)度為L(zhǎng)”L的大

小與被聯(lián)接件的材料有關(guān)，當(dāng)鋼對(duì)鋼連接時(shí)，L=d,當(dāng)鋼對(duì)鑄鐵聯(lián)接時(shí)L=L25d

與L=L5d,當(dāng)鋼對(duì)鋁合金時(shí)L∣=2d°

③螺釘：結(jié)構(gòu)形狀與螺栓類似，但螺釘頭部形式較多，其中內(nèi)、外六角

頭可施加較大的擰緊力矩。圓頭與十字頭都不便施加較大力矩，因此選用的直徑

不要過(guò)大，通常不超過(guò)IOmn1。

④緊定螺釘：其頭部與尾部的形式很多，常用尾部形狀有錐端，平端與

圓柱端，通常要求尾端要有足夠的硬度。

⑤螺母：常用六角螺母，亦有粗制與精制之分。按其高度不一致分為標(biāo)

準(zhǔn)螺母，扁螺母及厚螺母。如要求減輕重量且不常拆卸可用扁螺母，常拆卸時(shí)用

厚螺母。

(6)墊圈：常用的附件，放在螺母與被聯(lián)接件之間，能夠保護(hù)支撐面或者

防止螺母松脫(彈簧墊圈等)。

3、螺紋緊固件的強(qiáng)度級(jí)別

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：螺紋緊固件按其材料機(jī)械性能分級(jí)，強(qiáng)度級(jí)別由數(shù)字表示：

螺栓用兩個(gè)數(shù)字表示，小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字為材料的抗拉強(qiáng)度。Bmin/100,小數(shù)點(diǎn)后

的數(shù)字為10×9空，兩個(gè)數(shù)字相乘的10倍即為材料的最低屈服極限。srnin

σβmin

(MPa)0螺母用一個(gè)數(shù)字表示，為電業(yè)。為防止螺紋副咬死與減少磨損，應(yīng)

IOO

使螺母的材料級(jí)別比螺栓材料的級(jí)別低。

4、螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松

按螺紋聯(lián)接裝配時(shí)是否擰緊，分為松聯(lián)接與緊聯(lián)接。固定滑輪的聯(lián)接螺栓就

是松聯(lián)接的典型例子，這種螺栓只有在承受外載荷時(shí)才受到力的作用。

實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)聯(lián)接在裝配時(shí)就需要擰緊，如今螺栓所受的力叫預(yù)緊

力。預(yù)緊可增加聯(lián)接剛度，緊密性與提高防松能力。

聯(lián)接螺紋標(biāo)準(zhǔn)件都能滿足自鎖條件。螺母或者釘頭與被聯(lián)接件支撐面間的磨

擦力也有助于防止螺母松脫。但是，假如溫度變化大或者承受沖

擊荷載，或者振動(dòng)都會(huì)使螺母逐步松脫，設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必按工作條件

及可靠性要求，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮設(shè)置防松裝置。這種防松裝置通常

可分為三類：__

①利用磨擦力防松，彈簧墊圈是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的防松零一：?——

件，但因彈力不均而不十分可靠。還可用雙螺母防松。還可用鎖Q

緊螺母防松。鎖緊螺母上端開(kāi)口后徑向收口，擰緊后張開(kāi)，靠螺

母彈性鎖緊，簡(jiǎn)單可靠，可多次拆裝，用于較重要場(chǎng)合。

②利用聯(lián)接件的形狀防松

利用附加聯(lián)接件的形狀，或者改變螺紋副的形狀使螺紋副不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。其

作法有：

÷六角槽螺母設(shè)置開(kāi)口銷，安裝時(shí)在螺桿末端鉆孔（指開(kāi)口銷）可用于承

受沖擊線載荷變化較大的聯(lián)接。

令單耳止動(dòng)圈：將其一邊彎起貼在

螺母?jìng)?cè)面上，另一邊彎下貼在被聯(lián)接件的、

側(cè)壁上，防松可靠。

令三聯(lián)止動(dòng)墊圈：將三個(gè)螺母擰緊

后把墊圈的兩邊分別扳起貼在三個(gè)螺母

的側(cè)面上，使三個(gè)螺母彼此制約。

令串聯(lián)鋼絲：用于螺釘數(shù)目不多且排列較密

的聯(lián)接，注意鋼絲穿聯(lián)方向，圖中右圖方向合理，◎◎

防松效果，但安裝費(fèi)時(shí)。廣

÷端面沖點(diǎn)：屬于永久止動(dòng)，用于不擬拆卸"’

的螺紋聯(lián)接。?]/6

③利用附加材料防松，如將螺母焊在釘桿上，側(cè)

面焊死，或者用粘合劑涂在螺紋表面，不僅防松還

可密封。

5、螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素

①?gòu)募庸た?，?lián)接接合面的幾何形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，常使螺栓組的形心與聯(lián)接面

的形心相重合。最好有兩個(gè)對(duì)稱軸，加工計(jì)算都方便。通常使用條狀或者環(huán)狀接

合面，減少加工量與接合面不平的影響，同時(shí)增加聯(lián)接剛度。

②受力矩作用的螺栓組，螺栓布置盡量遠(yuǎn)離對(duì)稱軸，同一圓周上螺栓數(shù)目應(yīng)使

用4,6,8,12……便于劃線與分度。

③螺栓受力要合理，對(duì)受橫向載荷的普通螺栓可使用減荷裝置?；蛘吒挠幂^制

孔螺栓，盡量避免螺栓受附加彎曲載荷（如支承面不平，螺母孔不正，被聯(lián)接件

剛度小，聯(lián)接機(jī)體孔偏斜等）。

④裝配時(shí)使每個(gè)螺栓的預(yù)緊力一樣，使接合面產(chǎn)生均布?jí)毫?。因此相鄰螺栓?/p>

黃城荷俏盯城荷較制孔用螺檢

中心距t通常應(yīng)小于10d。對(duì)有緊密性要求的聯(lián)接，要按有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)t值。t

值大小還要考慮扳手的活動(dòng)空間，因此t值也不能太小。

6、螺栓組受力情況

①受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接：

包含螺栓組連接、普通螺栓聯(lián)

接與錢制孔用螺栓聯(lián)接。

對(duì)普通螺栓聯(lián)接，螺栓預(yù)

緊后在結(jié)合面間產(chǎn)生壓緊力，

靠磨擦力抵抗橫向外載荷。

對(duì)校制孔用螺栓聯(lián)接，在

橫向外載荷作用下，螺栓桿承

受剪切與擠壓。

②對(duì)受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)

接，其受力情況與橫向載荷基

本相同。

③受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接：

多螺栓受力均勻，其軸線相同,設(shè)想螺栓均布，每個(gè)螺栓受外載荷相同。

④受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組：翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)與M轉(zhuǎn)向相同。

當(dāng)M作用后0~0左側(cè)的螺栓被拉緊，軸向拉力增大,

右側(cè)的螺栓被放松，螺栓的預(yù)緊力QP減小。

圖（b）為在預(yù)緊力作用下，接合面間的擠壓應(yīng)

力分布圖。

圖（C）為翻轉(zhuǎn)力矩作用下，接合面間的擠壓應(yīng)

力分布圖。

圖（d）為不考慮受載螺栓預(yù)緊力變化時(shí)，翻轉(zhuǎn)

力矩產(chǎn)生應(yīng)力與預(yù)緊力合成后，擠壓應(yīng)力的分布圖。

由圖看出，接合面左邊緣擠壓應(yīng)力最小，右邊緣擠

壓應(yīng)力最大。

螺栓聯(lián)接設(shè)計(jì)時(shí)，不論其受什么樣外載荷，均

先求出螺栓組受的總合力，然后再進(jìn)行單個(gè)螺栓的

強(qiáng)度計(jì)算。

7、提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施

①改善螺紋牙間載荷分配不均現(xiàn)象

從剛度變形來(lái)分析，在力的傳遞過(guò)程中，螺栓受拉，螺距增大，而螺母受壓

螺距減小，兩者螺距的變化差要靠旋合螺紋的彎剪變形來(lái)協(xié)調(diào)補(bǔ)償。研究情況說(shuō)

明，從螺母支承面算起第一圈紋牙變形最大，第二圈次之，以后遞減，因此使用

圈數(shù)過(guò)多的螺母并不能提高聯(lián)接強(qiáng)度。為改善螺紋牙上載荷分布的不利情況，常

使用的方法有：

令設(shè)懸置螺母，使母體與螺栓都受拉，減少螺距變化差，使螺紋牙上

載荷分布均勻。

令用內(nèi)斜螺母，螺母旋入端制成

10°~15°的內(nèi)斜角，原受力大的下面幾圈

螺紋牙受力點(diǎn)外移，剛性隨之減小，載荷

上移，使載荷分布趨于均勻。

令環(huán)槽螺母，螺母開(kāi)割凹槽，造

成螺母部分受拉，作用同設(shè)懸置螺母。

這些措施加工復(fù)雜，只適用于重要場(chǎng)加大圓角

合。

②減少螺栓應(yīng)力幅

受交變載荷的螺栓聯(lián)接來(lái)說(shuō)，增加螺

栓長(zhǎng)度、減小螺桿橫截面積或者減小螺桿

材料的彈性橫量E都可降低螺桿剛度，如

使用柔性螺栓。

減少應(yīng)力集中，在螺栓的螺紋牙上、螺

紋收尾處、過(guò)渡圓角處、桿截面變化

處都有應(yīng)力集中。其中螺紋牙根的應(yīng)

力集中影響很大，可增大牙根的圓角

半徑，如將r=0.1443p增為r=0.21p,

螺栓聯(lián)接強(qiáng)度可提高24~40%°此外加

大釘頭釘桿過(guò)渡圓角，切制卸載槽及其中：

使用卸載過(guò)渡，螺紋收尾退力槽等均E-兩端麻

力的偏移量

可減少集中應(yīng)力。

這些措施的缺點(diǎn)是增加了成本，只在鉤頭螺栓連接處

重要聯(lián)接時(shí)使用。

④避免附加應(yīng)力

如支撐面不平、螺母孔不正、被聯(lián)接件打孔不在一條直線上，被聯(lián)接件剛度

過(guò)小，鉤頭聯(lián)接，都使聯(lián)接產(chǎn)生附加應(yīng)力，設(shè)計(jì)中要加以避免。

⑤使用合理的制造工藝

制造工藝對(duì)螺栓的疲勞強(qiáng)度有很大影響，加工時(shí)螺紋表面層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)

力應(yīng)想辦法消除。

滾壓螺紋比車制螺紋工藝好。車制螺紋把本來(lái)表面質(zhì)量較好的棒料車去，金

屬纖維也被車去不合理，而滾壓螺紋是利用材料的塑性成形，滾壓后金屬組織緊

密，螺紋工作時(shí)力流方向與材料纖維方向一致，其強(qiáng)度比車制螺紋提高40—95%。

對(duì)螺紋表面氮化，氧化等表面硬化處理也可提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

第三章金屬制造工藝簡(jiǎn)介

金屬制造工藝的分類：

熱加工包含鑄造、鍛壓與焊接。

冷加工，亦稱之金屬切削加工，包含刀具切削加工（其中有車削加工、鉆鏈

加工、包IJ削、插削、拉削、銃削加工，磨料切削加工；齒輪齒形的加工）。

下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

（一）鑄造

鑄造的過(guò)程是將液態(tài)金屬澆注到鑄模中，待其冷卻后獲得一定形狀與性能的

鑄件。這是金屬在液態(tài)下的成形方法。

鑄造能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜、特別是內(nèi)腔復(fù)雜的毛壞坯，尺寸與重量不受限制。

既可單件生產(chǎn)，也可批量生產(chǎn)，使用的材料大部分來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，還可用

廢料與廢零件，因此成本低。鑄件與零件形狀、尺寸接近，加工余量小。

鑄件的缺點(diǎn)是工序繁多，工藝過(guò)程操縱難度大。由于金屬冷卻時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,

易出現(xiàn)缺陷，因此質(zhì)量不穩(wěn)固；由于其內(nèi)部組織粗大不勻，其機(jī)械性能不如鍛件

高。目前還存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)條件差的問(wèn)題。

鑄造生產(chǎn)方法分為砂型鑄造與特種鑄造兩大類，以砂型鑄造為主。

1、砂型鑄造

目前大部分砂型還是手工制作的。

砂型鑄造要緊用于鑄鐵、鑄鋼、鑄銅、鑄鋁等材料的鑄件生產(chǎn)。進(jìn)行鑄件結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮鑄造工藝及金屬鑄造性能的要求，防止產(chǎn)生縮孔、縮松、澆不足,

冷隔、變形及裂紋等缺陷，應(yīng)注意下列問(wèn)題：

①鑄件要有合理壁厚及結(jié)構(gòu)斜度，鑄件壁厚盡可能均勻。

②鑄件壁的連接：鑄件壁連接處要有結(jié)構(gòu)圓角。避免交叉與銳角連接，厚壁

與薄壁的銜接要逐步過(guò)渡。

③鑄件應(yīng)避免過(guò)大的水平面。

④為防止鑄件翹曲變形，對(duì)較大的平板鑄件及壁厚不均勻的長(zhǎng)形箱體，應(yīng)將

其設(shè)計(jì)成對(duì)稱形狀或者增加肋板來(lái)提高其剛度。

⑤避免鑄件收縮受阻

如常見(jiàn)輪形鑄件，輪輻為偶數(shù)，

直線形。但是關(guān)于收縮率較大的合

金，因應(yīng)力過(guò)大有的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生裂

紋。為防止裂紋，可制成彎曲輪輻，

以借輪輻或者輪緣的微量變形，減少

內(nèi)應(yīng)力。

⑥按順序凝固原則設(shè)計(jì)鑄件結(jié)

構(gòu)

圖示鑄鋼殼體,將其改成右面的樣子,

在殼體底部76mm保持均勻壁厚,往上逐步

增加壁厚，直到與法蘭盤相接，保證了殼

體按順序凝固，不再產(chǎn)生縮松缺陷了。

2、特種鑄造

①熔模鑄造，以蠟為材料制模，

又叫“失蠟制造”，能鑄造各類有色及黑色金屬鑄件。

②金屬型鑄造，模型可反復(fù)使用4萬(wàn)次，鑄件有較好的精度（達(dá)到

IT12'ΓΠ4）,表面光潔，少加工或者不加工即可使用，可機(jī)械化生產(chǎn)。

③壓力鑄造：壓鑄機(jī)壓室內(nèi)澆注液態(tài)或者半液態(tài)金屬，充填鑄型，并在高壓

下成形與結(jié)晶。常用壓鑄比壓為5~150MPa,金屬流速達(dá)5~100m∕s°效率高易實(shí)

現(xiàn)自動(dòng)化，產(chǎn)品質(zhì)量好，實(shí)現(xiàn)少屑與無(wú)屑加工，成本低。

④低壓鑄造。

⑤離心鑄造：金屬液加入旋轉(zhuǎn)的鑄型中。

（二）鍛壓

包含鍛與沖壓，在外力作用下使金屬產(chǎn)生塑性變形，通常要在高溫下進(jìn)行。

鍛造分為自由鍛與模鍛兩大類。沖壓加工的對(duì)象是金屬薄板，通常在常溫下進(jìn)行,

故又稱之板料沖壓或者冷沖壓。

1、自由鍛

將坯料放在設(shè)備（自由鍛錘或者水壓機(jī)）的上、下抵鐵之間，因坯料在壓

力作用下是自由流淌的，故稱之自由鍛。

按使用設(shè)備與鍛造力性質(zhì)不一致，自由鍛分為錘上自由鍛與水壓機(jī)上自由

鍛，大型鍛件要在水壓機(jī)上進(jìn)行。

自由鍛產(chǎn)品尺寸精度低、加工量大，材料消耗多，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)條件差,

勞動(dòng)強(qiáng)度大，只有在單件、小批量生產(chǎn)才是合理的。

2、模鍛

模鍛時(shí)將坯料放在鍛模膛內(nèi)，使工件壓力成形。按照使用設(shè)備不一致，模鍛

分為錘上模鍛，曲柄壓力機(jī)上模鍛、平鍛機(jī)上模鍛，螺旋壓力機(jī)上模鍛及其他專

用設(shè)備上模鍛。

模鍛生產(chǎn)率高，工件表面光潔，尺寸精度高，材料利用率高，鍛件內(nèi)部，鍛

造流線分布更加合理，提高了使用壽命，可鍛軟復(fù)雜零件，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)

機(jī)械化，成本較低，常用于中小型鍛件的批量生產(chǎn)。

3、板料沖壓

利用裝在沖壓機(jī)床上的沖模對(duì)金屬板料加工，使之變形或者分離，從而獲得

零件或者毛坯。

板料坯料通常是厚度在「2mm下列的薄板通常不加熱。板料沖壓的原材料要

具有良好的塑性與較低的抗變形能力，如低碳鋼、合金鋼、銅、鋁。

沖壓件重量輕，剛度好、結(jié)構(gòu)輕巧、質(zhì)量穩(wěn)固，互換性好。操作簡(jiǎn)單，易于

機(jī)械化與自動(dòng)化，且成本低。

由于沖壓模具制作成本高，大批量生產(chǎn)才是合理的。

4、其他壓力加工方法

擠壓形成，使用的壓力大，金屬變形量大，可制作多種材料，多種形狀的金

屬工件，且精度高、機(jī)械性能好，可機(jī)械化自動(dòng)化。

輻軋成形：如輻軋、熱軋齒輪、輾環(huán)。

精密模鍛，經(jīng)向鍛造、高速錘鍛造等。

(≡)切削加工

切削加工分為鉗工與機(jī)械加工兩大類。

鉗工通常為手工操作，要緊有劃線、鎏削、鋸削、鏗削、舌IJ削、鉆孔與

錢孔、攻絲與套扣等，機(jī)械裝配與修理也屬鉗工范圍。

機(jī)械加工按所用切削工具，又分為兩類：一類是利用刀具進(jìn)行加工的，

如車削、鉆削、鍍削、刨削、銃削等；另一類是用磨料進(jìn)行加工的；如磨削、銜

磨、研磨、超精加工等。

機(jī)械加工務(wù)必有刀具，如車刀、刨刀、插刀、銳刀、鑲刀等，磨削用的刀是

砂輪。

1、車削加工

車削加工用機(jī)床有普通機(jī)床、立式車床、轉(zhuǎn)塔車床、仿形車床、自動(dòng)車床及

各類專用車床。車削能加工的表面有端面、外圓、內(nèi)圓、錐面、螺紋、回轉(zhuǎn)成形

面、回轉(zhuǎn)溝槽及滾花等，使用范圍廣泛，加工表面精度好，且易保證零件加工表

面的位置精度，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。

2、鉆鏡加工

①鉆床加工：常用設(shè)備有臺(tái)式鉆床、立式鉆床與搖臂鉆床等，能進(jìn)行鉆孔、

擴(kuò)孔、錢孔、攻絲、專忽孔與專忽凸臺(tái)等。

②鎮(zhèn)床加工：要緊設(shè)備是臥式鑲床。

饃床可鉆孔、擴(kuò)孔、較孔、切槽、車外圓、車端面與銃平面、其中鎮(zhèn)孔是要

緊的。

由于像床上有精確的定位裝置，適合對(duì)箱體機(jī)座、支架等形狀復(fù)雜大型零件

孔系進(jìn)行定位與加工，是機(jī)械加工的關(guān)鍵性設(shè)備，是其他設(shè)備不能取代的。

鑲床加工范圍廣泛，能獲得較高的加工精度與較低的粗糙度，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)

效率低。

3、刨削、插削與拉削

①刨削用來(lái)加工平面、刨床分牛頭刨與龍門刨兩種。刨床能加工的平面有水

平面、垂直面、斜面，還能加工溝槽(直角槽、V形與T形槽、燕尾槽)與直線

成形面。

刨削機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，有空引程,且每一往復(fù)中伴有兩次沖擊,

限制了刨削速度，生產(chǎn)率較低。

②插削可看作是“立式刨床”，要緊用于加工孔內(nèi)鍵槽、方孔、多邊形孔、

花鍵孔及某些零件的外表面。插削使用的設(shè)備是插床。

③拉削的設(shè)備是拉床。拉刀的直線移動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)。拉削無(wú)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其進(jìn)給

是靠接刀的每齒升高量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此拉削可看作是按高低順序排列的，多把刨

刀進(jìn)行的刨削。

拉削通常用于作精加工，且一次行程即達(dá)到精度要求，能加工拉削平面、半

圓弧面與一些組合面。拉刀是一種定形刀具，拉削一次就完成粗切、精切、較準(zhǔn)

與修光工作，是一種精加工方法、效率高。但拉刀制造復(fù)雜、成本高，不能加工

臺(tái)階孔、盲孔與特大孔，只適宜加工一種規(guī)格的孔或者鍵槽。

4、銃削加工合

銃削加工是用銃刀的旋轉(zhuǎn)與工件的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是平面加工的要緊方法之

-O設(shè)備有臥式銃床、立式銃床、龍門銃床、工具銃床及各類專用銃床。銃床可

加工平面（水平面、垂直面、斜面）、溝槽（直角槽、鍵槽、角度槽、燕尾槽、T

形槽、圓弧槽）與成形面。還能進(jìn)行孔加工（包含鉆、擴(kuò)、錢、鎮(zhèn)孔）與分度工

作。

5、磨料切削加工

磨料是用分布在砂輪表面上為數(shù)甚多的磨料進(jìn)行切削的。磨削方法有：外圓

磨、內(nèi)圓磨、平面磨、螺紋磨削，此外高精度及高效率磨削方法有：精密度削、

超精磨削，鏡面磨削，高速磨削、寬砂輪磨削、緩進(jìn)深切磨削、金鋼石磨輪與立

方氮化硼輪磨削。

通用磨床有普通外圓磨床，萬(wàn)能外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床與無(wú)心磨床。

6、光整加工簡(jiǎn)介

光整加工指研磨、布磨、超精加工與拋光等。

研磨：在工件與研具之間涂上研磨劑，工件可由車床帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，研具手持來(lái)

回軸向移動(dòng)，經(jīng)常檢測(cè)，至合格為止。研磨液由煤油、植物油或者煤油加機(jī)油。

最常用的研具材料為鑄鐵。研磨量通常為O.005~0.02mπιo

壬行磨：由若干油石條的布磨頭代替研具，用作孔的光整加工。

超精加工：用極細(xì)磨粒的油石條作磨頭輕壓于工作表面加工。

拋光：用涂有拋光膏的軟輪高速旋轉(zhuǎn)對(duì)工作進(jìn)行微弱的切削，以降低工作表

面粗糙度與提高光亮度。

7、齒輪齒形的加工

齒輪廣泛用于多類機(jī)械設(shè)備與儀表中，是傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的重要零件。常用

的有：直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)、螺旋齒圓柱齒輪傳動(dòng)、直齒錐齒

輪傳動(dòng)與蝸輪蝸桿傳動(dòng)。

為保證齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)精

確，工作平穩(wěn)可靠，務(wù)必選擇合

適的齒形輪廓曲形，即齒形曲線,

目前使用的齒形曲線要緊有漸開(kāi)

線、擺線與圓弧線等，用的最多

的是漸開(kāi)線。

若一動(dòng)直線在平面內(nèi)沿半徑

為R的圓作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)時(shí)，

則動(dòng)直線上任一點(diǎn)a的軌跡稱之

半徑為燈圓的漸開(kāi)線，半徑為L(zhǎng)的圓稱之基圓，動(dòng)直線稱之為發(fā)生線。漸開(kāi)線

齒輪的一個(gè)輪齒就是由同一基圓形成的兩條相反的漸開(kāi)線構(gòu)成。

漸開(kāi)線上任一點(diǎn)a,的法線必與基圓相切，漸開(kāi)線的形狀與基圓半徑大小有

關(guān)，半徑愈小，漸開(kāi)線的曲率愈小，反之亦然，當(dāng)其半徑為無(wú)窮大時(shí)，漸開(kāi)線便

成為一直線，齒條的直線齒形即可看成是半徑為無(wú)窮大的基圓的形成的漸開(kāi)線。

(1)直齒圓柱齒輪各部名稱、基本參數(shù)與要緊尺寸

①各部名稱

齒頂圓一一通過(guò)選輪齒頂部的圓稱之齒頂圓，直徑用d“表示。

齒根圓一一通過(guò)選輪齒根部的圓稱之齒根圓，直徑用土表示。

分度圓一一標(biāo)準(zhǔn)齒輪中，理論齒厚與齒向相等的圓稱之分度圓，其直徑用d,

半徑用r表示。分度圓位于齒頂圓與齒根圓之間，是計(jì)算齒輪尺寸的根據(jù)。

分度圓齒厚一一分度圓上一個(gè)輪齒所占的弧長(zhǎng)稱分度圓齒度，用S表示。

分度圓齒間一一分度圓上一個(gè)輪槽所占的弧長(zhǎng)稱分度圓齒間，用e表示。

周節(jié)一一分度圓上相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)稱之周節(jié)(分度圓周節(jié))，用

P表示。P=s+e0

齒頂高一一從齒頂圓列分度圓的徑向距離稱齒頂高，用N表示。

工作齒高一一兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)，兩個(gè)齒輪齒頂之間的徑向距離稱之工作齒

高，用上表示。

徑向間隙一一兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)，一個(gè)齒輪的齒頂圓與另一個(gè)齒輪的齒根圓之

間的徑向距離稱徑向間隙，用C表示。

②直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)

△模數(shù)=當(dāng)齒輪的齒數(shù)為Z時(shí)，分度圓直徑d與周節(jié)P有如下關(guān)系：

向=PZ或者√=-Z如今令一=m，則d=mZ