第一章 绪论 第一节 课程的特点 1. 综合性 本课结合了工程力学,机械工程材料,常用机构,支撑零部件,机械传动,液压传动,气压传动的相关知识。 2. 基础性 无论从事机械制造,还是使用研究机械,都要运用这些基本知识。 3. 一体性 本门课程理论与实践紧密融合,学做一体。 第二节 机械的组成 ² “机械基础”主要研究对象是机械,我们的衣食住行都离不开机械。 ² 机械始于石器时代,指南车,地动仪是我们的祖先发明的机械。 ² 1840年英国工业革命开启了机械飞速发展的时代,从蒸汽机,发电机,内燃机,计算机到现在的柔性制造单元和智能机器人等。 ² 人类凭借智慧,使机械在种类,材料,工艺,性能等方面不断丰富完善。 1.机械是机器和机构的统称 2.机器与机构的特征 l 机器特征:(1)是人为的实体组合。(2)各部分(实体)之间具有确定的相对运动。 (3)能够转换或传递能量,代替或减轻人类的劳动。 l 机构特征:具有确定相对运动的构件的组合。具有独立运动的基本单元 l 机构不具备机器的第三个特征,是机器的主要组成部分,一部机器可以有多个机构,也可以只含有一个机构 3.机器由哪几部分组成 l 动力部分 传动部分 工作部分 操作或控制部分 辅助部分(润滑,照明等) l 机械分类情况 ² 动力机械(变换能量):电动机,内燃机等 ² 加工机械(变换物料):金属切削机床,压力机等 ² 运输机械(变换位置):汽车,缆车等 ² 信息机械(变换信息):传真机,数码相机等 4.对机械要求: 功能要求 节能环保 安全防护等 5.零件 l 通用零件 指各种机械中经常用到的零件 l 专用零件 指在某些机械中才用到的零件 第三节 摩擦与损失 l 摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象
l
l 30%-50%的能量消耗在各种形式摩擦中
l 80%的机器因为零件磨损而失效
l 摩擦,指两物体接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力
1.摩擦类型:
² 1.固体摩擦 干摩擦,边界摩擦 除利用外尽量避免
² 2.液(气)摩擦 理论上不产生磨损,理想摩擦状态
² 3.混合摩擦 两者之间
2.磨损
² 运动副之间的摩擦将导致机件表面材料逐渐损耗形成磨损
² 一个机械的磨损过程大概分为三个阶段
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² 磨合阶段是有益磨损,如减速器
² 根据磨损机理分类,磨损主要有粘着磨损,磨料磨损,疲劳磨损,腐蚀磨损等
第二章 机械工程材料
第一节 金属材料性能
1. 使用性能
定义:金属材料在使用过程中所表现出来的特性
物理特性:密度,熔点,导电性,导热性,热膨胀性,磁性
化学特性:耐蚀性,抗氧化性,化学稳定性
力学特性:强度,塑性,硬度,韧性,疲劳强度
2. 工艺性能
定义:金属在加工制造过程中所表现出来的特性
铸造特性:金属材料铸造成型的能力
锻造特性:金属在锻压成型过程中所表现出的能力
切削加工性能:金属被切割难易程度
焊接性:在一定焊接条件下金属材料获得优良焊接接头的能力
第二节 金属材料--非合金钢
l 金属材料分类:
l 钢铁材料:非合金钢 合金钢 铸铁
l 非铁金属:除钢铁材料以外其他金属(有色金属,硬质合金)
l 炼铁过程:原料:铁矿石或废铁
² 原料在高炉中经过一系列反应还原出铁
² 铸造生铁,含碳2.11%以上
² 炼钢生铁,在炼钢炉中进一步氧化碳,得到非合金钢
² 在炼钢过程中加入某些合金元素,得到合金钢
非合金钢:一种铁碳合金(碳通常小于1.5%)
分类1:低碳钢<=0.25%
中碳钢=0.25%~0.60%
高碳钢>=0.6%
B. 非合金钢中含有少量硅,锰,硫,磷等
C. 硅,锰是脱氧剂主要成分,能提高钢的强度和硬度(有益元素)
D. 磷,硫是原料中附带的,硫--热脆性,磷--冷脆性,有害元素
按磷硫分:普通质量非合金钢S≤0.035% P≤0.035%
优质非合金钢SP≤0.030%
特殊质量非合金钢S≤0.020% P≤0.025%
按用途分:碳素结构钢;例如铁钉,属于低碳钢,冶炼容易,工艺性好,价格低廉,且在力学性能上也能满足一般的工程结构及普通机械零件的要求,
²
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Q195 Q215 Q235:塑性和焊接性较好,但强度不高,可用于桥梁,高压线塔,房屋框架等工程结构,铆钉,螺栓螺母垫片,轴套等
² Q255 Q275:强度相对较高,可以用来制造链轮,拉杆,安全销等
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优质碳素结构钢
例如,60代表C含量0.6%
² 08F:强度硬度很低,塑性韧性很高,具有很好冷变形能力,常用于制
² 造薄板,铁丝,冲压件等
² 20:起重钩,指甲钳等受力不大,韧性较高的零件
² 45:综合力学性能好,常用于制造齿轮,轴等重要运动零件
² 60:弹簧,板簧等弹性零件
² 80:强度较高,常用来制造受巨大拉力的钢丝绳
碳素工具钢:高硬度,高耐磨性(0.7%以上高碳钢)(优质非合金钢)
用T+数字表示 T代表碳数字代表含碳千分数,后加A表示有害元素更低、
² T7 T8:碳质量分数相对较低,仍具有一定塑性,且有良好硬度,常用于制造斧头,锤子,凿子,定位冲子等切削能力要求不高的工具
² T9 T10;用于制造钢锯锯条,手攻螺纹用的丝锥和板牙等低速耐磨工具
² T12 T12A:硬度,耐磨性较高,制造普通刀具,一般性量具,模具。
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² ZG200-400常用于制造电动机机座,截止阀阀体,变速箱壳体
² ZG340-640常用于制造大型齿轮,大型飞轮,火车车轮,火车车钩(力学性能较高)
易切削钢:在钢中加入较高含量硫 铅 锡 钙等切削元素,可减少刀具磨损,且保证切削后零件表面质量,主要用于制造受力较小,不太重要,且大批量生产的标准件
第三节 金属材料--低合金钢
合金钢:为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能,在炼钢时有意加入一种或多种合金元素的钢。
低合金钢:合金含量较低的合金钢。
1.低合金钢
一般指合金元素质量分数小于3.5%且可焊接的低碳低合金结构用钢。
1. 低合金高强度结构钢
l 在碳的质量分数小于0.2%的碳素结构钢的基础上,加入以锰为主,钒,钛,铝,铌等元素为辅
l 具有较高强度和韧性,良好的焊接性,冷热压力加工性能和耐腐蚀性,
l 价格与非合金钢接近
l 多扎制成板材,型材及无缝钢管等
l 被广泛用于桥梁,船舶,车辆,锅炉工程机械及重要的建筑结构中
l 牌号表达与碳素结构钢基本相同
低合金耐候钢
l 通过添加少量铜,铬,钼等元素,使金属表面形成保护层,以提高大气耐腐蚀能力的钢
l 又称耐大气腐蚀钢
l 主要可分为焊接耐候钢和高耐候钢
l 例如通信电力塔,石油井架等(焊接耐候钢)
l 集装箱,铁道车辆等(高耐候钢)
低合金专业用钢
l 为了适应某些行业特殊要求,通过对低合金高强度结构钢的化学成分,加工工艺及性能作相应的补充和调整,从而获得的专业用钢
2.合金钢
工程结构用合金钢
机械结构用合金钢
l 合金渗碳钢:汽车差速器齿轮,要求表面具有高硬度和高耐磨性,且心部要有良好的韧性
l 常用材料是合金渗碳钢20CrMnTi等
l 合金调质钢:汽车发动机轴及齿轮,在中碳钢基础上加入一种或数种合金金属以提高其淬透性和耐回 火 性
l 合金弹簧钢:摩托车弹簧,汽车板簧等截面较大,屈服强度较高的重要弹性元件
l 超高强度钢:航空工业中用到的钢,在合金调质钢基础上加入多种合金元素复合强化,屈服强度大于1370MPa,抗拉强度大于1500MPa
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3.高碳铬轴承钢
专用于制造滚动轴承的钢。
其中铬元素可以增加钢的淬透性和耐磨性
4.合金工具钢与高速钢
合金工具钢
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高速钢
l 在600℃时仍能保持高的硬度和耐磨性,强度和切削速度也比一般碳素工具钢和合金刀具钢高很多。
l 目前高速钢已成为制造切削刀具的主要材料
5.不锈钢与耐热钢
不锈钢 (铬镍) 06Cr19Ni10---菜刀---脸盆---水龙头 12Cr18Ni9---橱柜---扶手---护栏
(铬) 32Cr13Mo--医疗器械 68Cr17精密卡尺 68Cr17---滚动轴承
耐热钢 具有不锈钢特性及高温下化学稳定且保持强度
(抗氧化钢)26Cr18Mn12Si2N---加热炉构件 45Cr9Si2--汽轮机叶片
6. 铸造钢合金
坦克履带,挖掘机铲斗等,不但要求有较高硬度和耐磨性
合金钢牌号
我国合金钢牌号由碳的质量分数和合金元素的质量分数组合而成
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第四节 金属材料--铸铁
专门用于铸造成型的钢铁材料就称为铸铁
铸铁是指碳质量分数大于2.11%的铁碳合金
工业铸铁2.5%-4%之间,硅,锰,硫,磷等杂质含量也比非合金钢多
铸铁和非合金钢最大区别:非合金钢中以铁素体型组织,奥氏体型组织
铸铁中以铁的碳化物(渗碳体),碳的单质状态(石墨)
1. 白口铸铁:以渗碳体形式存在,断口呈银白色
硬度高 脆性大 难以切削 很少被直接利用
其他铸铁:主要以石墨形式存在,断口呈灰色
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石墨:
优点:在铸铁中可以增加铁水流动性,减小切削抗力,使铸铁获得良好铸造性能和切削加工性能
还具有润滑,吸振作用。因此,铸铁硬度虽然不高,但耐磨性好,还具有良好的减震性和低的缺口敏感性
缺点:强度和塑性几乎为零,抗拉强度低,塑性韧性差,但抗压强度与钢接近
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灰铸铁应用最广,占铸铁总量80%以上,牌号用HT(灰铁)+数字(最低抗拉强度)表示
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3.可锻铸铁=白口铸铁退火
强度和塑性比灰铸铁好
不可锻压
KTH300-06:最低抗拉强度300MPa,断后伸长率6%的黑心可锻铸
铁,常用于铸成弯头,三通,管道零件
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4.球墨铸铁
在浇筑前往铁水中加入一定量球化剂和孕育剂,使石墨呈球状析出
力学性能比前两种都要好 成本较低
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5.蠕墨铸铁
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总结:
第三章 刚体静力学
第一节 静力学基础
解决的是物体在平衡状态时受力分析
1. 静力学基本概念
研究的是刚体在力系作用下平衡规律
刚体:理性状态下不计变形的物体,力只改变其运动状态
力:物体之间的相互机械作用,能使物体运动状态发生变化,或使物体发生形变
力的三要素:力是矢量,力的大小,方向和作用点
力的单位:以牛或千牛表示
物体平衡状态:指物体相对于地球处于静止或匀速直线运动状态
2. 静力学基本公理
1).二力平衡公理:只受两个力的刚体,保持平衡状态充要条件:两力等值,反向,共线。
只受两力作用并处于平衡状态的物体称为二力构件
2).加减平衡力系公理:在已知力系加上或减去任意平衡力系,不会改变原力系对刚体作用效应。
推论1.力的可传递原理:作用于刚体上某一点的力可延其作用线移至刚体上任一点,而不会改变原力系对刚体的作用效果。
注:推论1只适用于刚体且只能沿其作用线滑移而不能移至作用线以外的位置
3).力的平行四边形公理:作用于物体上某一点的两个力的合力也作用于该点,合力的大小方向由两个 力为临边构成的平行四边形对角线确定。
推论2.三力平衡汇交定理:刚体上受同一平面内互不平行3个力作用而且互相平行时,则此3个力 的作用线汇交于一点,并在同一平面内。
4).作用与反作用公理:两个物体间的作用力与反作用力总是同时存在,且等值,反向,共线,分别作用在这两个物体上
约束与约束力
l 自由体:位移不受限制的物体
l 非自由体:位移受限制的物体
l 主动力:使物体产生运动或运动趋势的力,重力,推力等
l 约束力:约束体施加于非自由体上的作用力,大小一般未知
常见约束类型:
² 柔性约束:传送带,链条等,力的作用点,在绳索和重物的接触点
² 光滑面约束:两物体直接接触,且表面光滑,接触处摩擦力可忽略不计。
² 铰链支座约束力:
² 固定端约束:限制物体像任何方向运动
第二节 受力分析与分析图
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第三节 平面汇交力系
1. 基本概念:
平面力系:各力作用线均在同一平面内的力系。
平面汇交力系:平面力系中各力作用线都汇交于一点。
2. 求解
几何法:连续应用力的三角形法则,将已知力依次相加,求出合力的大小和方向。
注意,在连接力多边形的封闭边时,应从第一个力的始端指向最后一个力的末端。
解析法:将力分解在坐标系中。Fx=Fcosa Fy=Fsina
第四节 力偶与力矩
力矩:即力对点的矩,等于从该点到力的作用线的垂直距离d与该力F的矢量积。
力偶:
l 两个大小相等方向相反(不在同一点上)的平行力组成的二力。
l 不能合成一个力,而是使物体处于转动状态
l 两力为F,F’,两力之间垂直距离d,称为力偶臂。
l 力偶对物体的作用效应,可以用力偶矩来度量
l 力偶的作用效果与力的大小和d的长短有关,与矩心无关。
l 力偶计算
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l 力与力偶臂的矢量积记作M=±F*d
l 力偶距的方向规定:逆转为正,顺转为负。
l 在同平面内的两个力偶,如果力偶距相等,则两力偶彼此等效。
l 力偶的性质:力偶可以在其作用面内任意转移,而不改变他对刚体的作用。
只要保持力偶距的大小和力偶的转动方向不变,可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短,而不改变有对刚体的作用效果。
力的平移:可以把作用在刚体上点A的力F平移到一点B,但同时必须附加一个力偶,这个附加力偶的矩等于原来的力F对新作用点B的矩
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第五节 平面任意力系
平面任意力系的定义:各力的作用线不汇交于一点。
求解平面任意力系
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