任务二
机械零件的材料、结构和承载力

一、学习目标

1．知识目标

知道机械零件的材料、结构和承载能力。

2．能力目标

会选择机械零件的材料。

3．态度目标

培养严谨细致的工作作风。

二、学习活动

活动一 认识零件的常用材料

材料是制作机械零件的原料，零件有强度和使用寿命的要求，不同的零件需要选用不同的材料。例如，汽车轮胎需要具有一定的弹性和耐磨性，选用橡胶作为原料；汽车大梁需要承受较大的载荷和冲击，选用具有一定强度和韧性的低碳合金钢；机床的主轴不仅要有强度，而且还要有抗弯曲变形的刚度要求，选择45或40 Cr钢材，并制作成中空形状；机床的床身要求不变形且耐磨损，选用不变形的铸铁材料，导轨表面作淬火处理。

1．钢

钢常用作机械零件的材料，它是铁和碳的合金。常用的是结构钢和合金钢。钢中含碳质量分数的多少，影响到钢的韧性和硬度，含碳质量分数越低，韧性越好，但硬度越低；反之，含碳质量分数越高，硬度越大，但韧性越差。因此，常用中碳钢作为零件的材料，具有一定的韧性和硬度，也方便进行热处理。中碳钢的含碳质量分数为0．35％～0．55％。对于需要进行塑性变形加工的零件，常选用低碳钢作材料，如螺钉、螺母等。

钢一般由铸造和轧制得到。前者称为铸钢，适用于制造形状复杂的重要机械零件；轧制所得的钢材通常具有一定的形状，称为型材，如圆形、工字形、方形、管形等。圆形材是制造机械零件的材料，通过锻造、切削加工成所需要的各种形状。

2．铸铁

将含碳质量分数在2．11％以上的铁碳合金，称为铸铁。相比钢材料，其优点是铸造性好，成本低。对于不重要的零件，如其形状较为复杂，常选用铸铁，如暖气片、轴承座、机床床身、皮带轮。铸铁材料作机床床身具有稳定性好、不变形的优点。铸铁材料的性能较稳定，且价格便宜，因此，污水井盖一般都选用铸铁材料。

3．铜及其合金

铜材料具有很好的耐腐蚀性和减磨性，但成本较高，一般用作滑动轴承的轴瓦或蜗轮的齿圈，一般选用铸造的方法获得。紫铜管容易变形又耐压，一般应用于空调、液压传动系统的管路连接。

4．工程塑料

工程塑料一般作结构零件，具有质量轻、强度高、耐磨损的特点。在汽车、飞机、家用电器中（如台灯、低压开关、电视机及空调机等）都有很广泛的应用。

5．橡胶

橡胶分普通橡胶和特种橡胶两种，用于制作密封件、减振件、传动带及轮胎等。

活动二 材料的选用

材料的品种很多，各有特点，应做到物尽其用，用其所长。材料的选用要考虑以下3个方面的因素：

1．零件工作中的使用要求

使用要求主要是指零件的工作和受载情况，对零件尺寸和质量的限制，以及零件的重要程度，等等。

2．工艺要求

工艺要求是指所选择的材料容易生产制造，如铸造材料要求其最小厚度要大于8 mm，否则会因为铸不满而产生废品；留出足够的加工余量。锻件的内孔太小时，不能冲孔成形；轴上的螺纹要留退刀槽；磨削表面提前制作出中心孔等。这些都是满足加工工艺要求所必须做好的准备。

3．经济性

所谓经济性，就是在满足使用要求和寿命的前提下，所选用的材料制成的零件应当是成本最低的，保证机器在市场上有价格竞争的优势。

活动三 了解标准化、系列化和通用化

国家对机械零件作出了统一的标准规定，有利于简化零部件的品种和规格，便于组织大规模的生产，降低成本。如需要一个螺钉、螺母，可在市场上很方便地买到。它是由标准件厂统一生产的，价格低，通用性好，方便使用，但螺钉有统一的标准，如M6，M8，M10，M12，M16mm，没有7，9，11，13等规格的螺钉。滚动轴承也是一样，其标准内径仅有10，12，15，17，20，25，30，35，…，不可能有其他数值。

标准化、系列化和通用化是机械零件生产所应当共同遵守的技术规范，必须严格执行，不得别出心裁，标新立异。技术标准由国家标准化局统一制订，使用时应当按照最近出台的最新标准执行，一般应按照2000年以后制订的标准，如果没有2000年以后的标准，方可使用2000年以前的标准。借助于电脑搜索寻找最新国家标准。

活动四 了解载荷、应力和强度

失效是指机械零件不能达到设计要求的工作性能。例如，彩色电视机的显像管，由于老化而出现的图像模糊不清，达不到设计时的要求，称为失效。

机械零件的失效形式主要如下：因强度不够而断裂，过大的弹性形变或塑性形变，摩擦表面的过度磨损、打滑或过热，联接松动，压力容器、管道等的泄漏，运动精度达不到要求，等等。

失效不等于不能用，只是精度没达不到要求。

1．载荷

载荷是指机械零件受到外力或外力矩的作用，可分为静载荷和动载荷。载荷大小或方向不随时间变化而变化或变化缓慢的，称为静载荷；载荷大小或方向随时间变化的，称为动载荷。

根据动力机的额定功率P（kW）和额定转速n（r／min）计算出的载荷，称为名义载荷。

2．应力

应力是机械受到外载荷作用后，单位截面上的内力。载荷是指零件外部的作用力；应力是指受到外部作用后，零件内部产生的内力。应力的大小与外部载荷的变化、大小有关。

静载荷产生静应力，动载荷产生变应力。按应力变化特点，可分为脉冲循环应力、对称循环应力和非对称循环应力3种（见图1．9）。其中，对称循环应力对零件的寿命影响最大。

3．强度

强度是指零件抵抗破坏的能力。强度可分为表面强度和体积强度，一般强度是指体积强度。

（1）体积强度

体积强度可分为静应力和变应力。

静应力使零件产生塑性变形或断裂。如自行车前后轴固定不动，受到人的不变载荷静止作用，前轴太细可能产生弯曲塑性变形，严重时会断裂。

变应力使零件产生疲劳断裂。如火车车轮与轴组成一体，轴受载荷是不变的，但轴随车轮的转动不断变化位置，它受到对称循环变化的变应力作用，经过无数次转动后，可能出疲劳断裂。

（2）表面强度

点、线接触的高副联接表面产生弹性变形，出现很大的局部应力，称为接触应力。

（3）表面挤压强度

以面接触而无相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面产生挤压应力。

（4）表面磨损强度

以面接触而作相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面因摩擦产生磨损，当磨损量超过许用值，零件即告失效。

4．安全系数和许用应力

每一种材料经过试验后，都可以找到最大极限应力值。如果直接以极限应力作为计算材料的强度，当达到极限应力值时，零件就会出现破坏。此外，实验室的测试是静态的外载荷作用，与零件实际工作环境存在差别，为防止出现意外事故，取一个比1大的值作为安全系数。如取安全系数为2，假设其极限应力为200MPa，被2除后，得到100MPa，称100MPa为许用的应力，即当应力达到100MPa时为最大的极限，超过100MPa认为零件超载，会出现破坏。实际应用中，有安全系数的作用，超过许用应力并不一定立即出现问题。因此，许用应力为极限应力与安全系数的比值。安全系数越大，零件越安全，但零件尺寸断面越大，造价越高。对于运输机械，如摩托车、汽车、飞机，如果安全系数过大，则自身质量过大，消耗的燃料过多，故应当取较小的安全系数。

三、巩固与提高

①常用材料有哪些？

②材料的选用原则是什么？

③实行机械零部件的标准化、系列化和通用化有何意义？

四、学习评价

分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。