ch01機(jī)械設(shè)計(jì)總論(編輯修改稿)
2025-01-16 11:35 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 別是失效源周?chē)╋@微組織構(gòu)成情況檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。檢查分析失效零件 的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等?！袷Х治龅闹饕饔眉案倪M(jìn)過(guò)程服役條件失效零件失效分析失效 類(lèi) 型失效原因工 業(yè)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 室 試驗(yàn)提高零件失效抗力加 強(qiáng) 管理改 進(jìn) 工 藝提高主要抗力指 標(biāo)改 進(jìn)設(shè)計(jì)工 藝 使 用材 料設(shè) 計(jì)三、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則（一）強(qiáng)度準(zhǔn)則（二）剛度準(zhǔn)則（三）振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則（四） 摩擦學(xué)準(zhǔn)則 （耐磨性計(jì)算）（五）溫度對(duì)機(jī)械零件工作能力的影響整體強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度 低碳鋼的力 伸長(zhǎng)曲線 強(qiáng)度 ：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 剛度 是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。圖 低碳鋼的拉伸曲線圖（ 1） oe── 彈性變形階段（ 2） es── 屈服階段（ 3） sb── 均勻塑性變形階段（ 4） bk── 縮頸階段45鋼 鋁青銅35鋼硬鋁純銅圖 不同金屬的拉伸曲線圖強(qiáng)度指標(biāo) 金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力 σ來(lái)度量的。 常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn) σs和抗拉強(qiáng)度 σb。 (1)屈服點(diǎn) σs在拉伸過(guò)程中 ,載荷不增加 ,試樣還繼續(xù)發(fā)生變形的最小應(yīng)力 (MPa)。σs=Fs/A0對(duì)于沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的金屬材料，將產(chǎn)生 殘余伸長(zhǎng)率為 %時(shí)的應(yīng)力值 作為該材料的屈服強(qiáng)度，以 σ 。σ = /A0 (2)抗拉強(qiáng)度 σbσb=Fb/A0金屬材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力 (MPa) 塑性 塑性是金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形 (或永久變形 )而不斷裂的能力。 常用塑性指標(biāo)是 斷面收縮率 ψ拉伸試樣拉斷后試樣截面積的收縮率 ψ為ψ=[(A0A1)/A0]100% 斷后伸長(zhǎng)率 δ拉伸試驗(yàn)試樣拉斷后 ,標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值δ=[(l1l0)/l0]100%硬度 硬度是指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力 ,即金屬材料抵抗局部塑性變形或破壞的能力 。 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。 常用的硬度指標(biāo)有 布氏硬度 、 洛氏硬度和 維氏硬度 等。圖 布氏硬度試驗(yàn)原理圖 圖 洛氏硬度試驗(yàn)原理圖三種硬度應(yīng)三種硬度應(yīng)用范圍比較用范圍比較布氏硬度計(jì)主要用來(lái)測(cè)量灰鑄鐵、有色金屬以及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等材料HRA主要用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等 。HRB主要用于測(cè)量軟鋼、退火鋼、銅合金等 。HRC主要用于測(cè)量一般淬火鋼件維氏硬度適用于測(cè)定厚厚度為 ～ 薄層材料 ,或厚度為～ 表面硬化層的硬度疲勞強(qiáng)度 工程上規(guī)定 ,材料經(jīng)無(wú)數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度，用 表示 。 材料的疲勞強(qiáng)度與其合金化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷、表面劃痕及零件截面突然改變等有關(guān)。圖 疲勞曲線材料受的交變應(yīng)力越大 ,則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (N)越少 ,反之 ,則 N越大。 雖然零件所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn) ,但在長(zhǎng)期使用中往往會(huì) 突然發(fā)生斷裂 ,這種破壞過(guò)程稱(chēng)為 疲勞斷裂 。沖擊韌度圖 沖擊試驗(yàn)示意圖 1 —— 擺錘 2—— 試樣 沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力 ,通常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 沖擊吸收功 (AK)除以試樣缺口處的截面積 S0,即可得到材料的沖擊韌度。αK=AK/S0=G(H1H2)/S0 沖擊韌度 αK值愈大 ,表明材料的韌性愈好 ,受到?jīng)_擊時(shí)不易斷裂。強(qiáng)度準(zhǔn)則（一）強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度條件有兩種表示方法：1） 用應(yīng)力表示：≤ ＝2）用安全系數(shù)表示：≥ ＝式中： — 計(jì)算最大應(yīng)力— 極限應(yīng)力— 計(jì)算安全系數(shù)— 許用應(yīng)力— 許用安全系數(shù)注：對(duì)于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的 換成 即可。σ lim 選用原則：若不允許發(fā)生過(guò)量的塑性變形，以 屈服強(qiáng)度 σ S 、 σ 據(jù)；若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，以 抗拉強(qiáng)度 σσ b來(lái)設(shè)計(jì)。靜應(yīng)力下的強(qiáng)度靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類(lèi)不同，所取極限應(yīng)力也不同。塑性材料 單向應(yīng)力狀態(tài)下： ，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。 脆性材料 單向應(yīng)力狀態(tài)下： ，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則注： 1）對(duì)于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì)算靜強(qiáng)度 時(shí)，可不考慮應(yīng)力集中的影響。 2）對(duì)于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，應(yīng) 考慮應(yīng)力集中的影響。 循環(huán)應(yīng)力下的強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取疲勞極限 （詳見(jiàn)第二章）。 合理選擇許用安全系數(shù) 是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。 過(guò)大，則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重；過(guò)小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應(yīng) 盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。 的取值主要受下列因素的影響： 1） 計(jì)算的準(zhǔn)確性； 2）材料的均勻性； 3）零件的重要性。*許用安全系數(shù) 高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸 → 實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸 → 由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱(chēng)為 接觸應(yīng)力 。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱(chēng)為 接觸強(qiáng)度 。（ 1）接觸應(yīng)力a)兩圓柱體接觸機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式b)兩球接觸ρ—— 綜合曲率半徑結(jié)論 ： 1）圓柱體 ，球 σHmax與 F不呈線性關(guān)系2）圓柱體 ，球 ρ越大， σHmax越小3）同樣的 ρ ρ2下，內(nèi)接觸時(shí) 綜合曲率半徑 ρ較大， σHmax較小，約為外接觸時(shí)的 48% 重載情況下，采用內(nèi)接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸 。 （ 2）與接觸應(yīng)力對(duì)應(yīng)的失效形式 脆性材料 —— 表面壓碎 ；塑性材料 —— 表面塑性變形。接觸強(qiáng)度 2 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。 例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。 在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱(chēng)為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度條件為： ≤接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是： 疲勞點(diǎn)蝕 （簡(jiǎn)稱(chēng) 點(diǎn)蝕 ）。點(diǎn)蝕的危害 ： 1）破壞零件的光滑表面，引起振動(dòng)和噪音。 2）減小零件的有效工作面積。 表面接觸疲勞強(qiáng)度 疲勞點(diǎn)蝕是齒輪、滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)失效形式。●提高接觸疲勞強(qiáng)度的措施 1）控制最大接觸應(yīng)力 2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質(zhì)量 3）增大綜合曲率
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