作者：曾小梅
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
机械基础与金属材料试读：
内容简介
本书包含两部分内容：第一部分是金属材料，第二部分是机械基础。其中金属材料部分包括：金属材料力学性能的分析，钢的热处理及金相图，常用金属材料的选用。机械基础部分包括：机构装置的受力分析、机械结构分析、常用机构分析、常用机械连接件分析、常用机械支撑件分析、齿轮传动机构及其他传动机构分析。
本书可作为各类职业（技工）院校机电及相关专业的专业基础教材，还可供有关工程技术人员参考。
未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。
版权所有，侵权必究。
图书在版编目（CIP）数据
机械基础与金属材料/曾小梅主编.—北京：电子工业出版社，2016.7
职业教育机电类专业课程改革创新规划教材
ISBN 978-7-121-29159-3
Ⅰ.①机… Ⅱ.①曾… Ⅲ.①金属材料—机械制造材料—职业教育—教材 Ⅳ.①TG14
中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第141818号
策划编辑：张 凌
责任编辑：张 凌 特约编辑：王 纲
印 刷：
装 订：
出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036
开 本：787×1 092 1/16 印张：13 字数：332.8千字
版 次：2016年7月第1版
印 次：2016年7月第1次印刷
定 价：29.60元
凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。
质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei.com.cn。
本书咨询联系方式：（010）88254583，zling@phei.com.cn。前 言
为了适应当前职业教育教学改革的方向与要求，努力体现当前职业教育教学改革的最新理念，电子工业出版社组织有关学校的一线教师和行业、企业专家编写了机电专业系列教材。该系列教材改变了原有教材的传统模式，在编写中力求有新思路；在保证符合新大纲基本要求的前提下，教材的内容体系和体例力求有新变化、新风格，争取能够较好地体现“职教特点、时代特征和专业特色”。
本书采用任务驱动、项目式教学的方式，将主要教学内容分解为与典型工作任务相对应的学习任务，并采用工作页的形式将若干个学习任务呈现给学习者。按照这种形式来组合教学内容的教材，有利于实施任务驱动、项目教学和行动导向等具有职业教育特点的教学方法，有利于组织本课程的一体化教学，真正实现“做中学、做中教”，能够更好地培养学生的综合职业能力，即专业能力、方法能力和社会能力（关键能力），并有利于实现教学相长，促进教师专业知识与应用能力、操作技能的提高。
本书分为8个项目，项目1介绍了金属材料的基本知识，包括金属材料力学性能的分析、钢的热处理及金相图、常用金属材料的选用等。项目2介绍了机械装置的受力分析，包括静力学基础、平面汇交力系的计算、力矩与力偶的计算、平面任意力系的计算。项目3介绍了机械结构分析，包括机构的组成、绘制平面机构的运动简图、平面机构自由度的计算。项目4介绍了常用机构，包括平面连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、间歇机构的分析。项目5介绍了常用机械连接件，包括键、销连接的选用和联轴器、离合器的选用。项目6介绍了常用机械支撑件，包括轴的结构设计及应用、轴承的选用。项目7介绍了齿轮传动机构，包括齿轮传动、蜗杆传动的设计及应用。项目8介绍了其他常用机械传动机构，包括带传动、链传动和轮系传动的应用。
本书由曾小梅担任主编，陈一照、金黎明担任副主编，陈贵荣、宋伟玲、肖正参编，其中绪论由宋伟玲编写、项目1、项目2、项目5由曾小梅编写，项目3由肖正编写，项目4、项目6由陈一照编写，项目7、项目8由金黎明编写，陈贵荣参与了全书的统稿工作。
由于水平有限，书中误漏和欠妥之处在所难免，恳望广大读者批评指正。编 者绪论 认识机械
在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器，以减轻或代替人们的劳动，提高生产效率、产品质量和生产水平。机器的种类繁多。在生活中，常见的机器有汽车、火车、拖拉机、摩托车、缝纫机、电风扇、洗衣机、机床、电脑等，如图0-1所示。图0-1 生活中常见的各种机器
不同机器的构造、性能和用途等各不相同，但从机器的组成分析，它们又有共同点。什么是机器？如何定义？机器有哪些基本组成部分？每部分的作用是什么？1.能分析机器的组成。2.了解机械、机器、机构的区别和联系。3.能识别零件和构件。4.多对生活实际中的机器及机械装置进行分析，增加对机械的了解和整体认识。一、机器和机构
1.机器的定义
机器的种类虽然繁多，结构形式和用途也各不相同，但总的来说，机器有三个共同的特征：（1）都是人为的各种实物体的组合；（2）组成机器的各种实物体间具有确定的相对运动；（3）可代替或减轻人的劳动，变换或传递能量、物料和信息。
凡具备上述三个特征的实物组合就称为机器。
机器是具有确定的相对运动，可实现能量、信息转化和传递，又能做有用的机械功的实物组合体。
2.机器的组成
一台完整的机器一般由动力部分、传动部分、执行部分、控制部分和支撑及辅助部分组成，如图0-2所示。图0-2 汽车的组成（1）动力部分是机器工作动力源。最常见的是电动机和内燃机。（2）执行部分用于执行机器的特定功能。比如：汽车的车轮、起重机的吊钩、机床的刀架、飞机的尾舵和机翼，以及轮船的螺旋桨等。（3）传动部分是连接原动机和执行部分的中间部分。比如：汽车的变速箱、机床的主轴箱、起重机的减速器等。（4）控制部分用于控制机器的启动、停止和正常协调动作。比如：汽车的方向盘和转向系统、排挡杆、刹车及其踏板、离合器踏板及油门等就组成了汽车的控制部分。（5）支撑及辅助部分，如轿车中的仪表、车灯、雨刮器等。
洗衣机的五大组成部分分别是什么？
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
3.机器的类型
动力机器——实现能量转换，如内燃机、电动机、蒸汽机、发电机、压气机等。
工作机器——完成有用的机械功或搬运物品，如机床、织布机、汽车、飞机、起重机、输送机等。
信息机器——完成信息的传递和变换，如复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。
不同类型的机器如图0-3所示。图0-3 不同类型的机器
4.机构
机构也是人为实体的组合，各实体间具有确定的相对运动。但机构只具备机器的前两个特征，而不具备第三个特征，机构主要用来传递运动或变换运动形式。最常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮传动机构和间歇运动机构，如图0-4所示。图0-4 常见的各种机构
5.机器与机构的区别（1）机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还包含电气、液压等其他系统。（2）机构只用来传递运动和力，而机器除传递运动和力外，还具有变换或传递能量、物料和信息的功能。
仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通常把机器与机构统称为机械。二、零件和构件
1.零件
零件是机器中不可拆的制造单元，分为通用零件和专用零件。（1）通用零件——机器中普遍使用的零件，如齿轮、螺钉、轴等。（2）专用零件——只在某些机器中使用的零件，如内燃机中的活塞、起重机中的吊钩等。
2.构件
构件是机构中的运动单元体。构件可能由一个零件组成，也可能是几个零件的刚性组合。活塞连杆组就是一种构件，如图0-5所示。图0-5 活塞连杆组
1.现代机械的五个组成部分及作用是什么?
__________________________________________________________________________
2.用生活中的例子说明机构和机器的特征。
__________________________________________________________________________
3.什么是构件？什么是零件？它们有什么区别和联系？试举实例加以说明。
__________________________________________________________________________
1.机器是具有确定的相对运动，可实现能量、信息转化和传递，又能做有用的机械功的实物组合体。
2.机构也是人为实体的组合，各实体间具有确定的相对运动。但机构只具备机器的前两个特征，而不具备第三个特征，机构主要用来传递运动或变换运动形式。
3.零件是机器中不可拆的制造单元，分为通用零件和专用零件。
4.构件是机构中的运动单元体。项目1 金属材料1.掌握金属材料力学性能中各指标的定义及意义。2.能说出合金的基本概念，理解铁碳合金的相结构。3.能简述常见热处理工艺的目的、分类和应用。4.能说出常用金属材料的分类及机械零件选材的一般原则。材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。金属材料的产生使人类文明进入新的时代。继石器时代之后出现的青铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其显著标志。金属材料是目前使用最广的材料。以机械制造行业为例，在生产制造业中（如农业机械、电工设备、化工和纺织机械等），钢铁材料约占90%；在汽车制造业中，钢铁材料占60%～75%，铝合金占5%～10%。可见，金属材料特别是钢铁材料是机械制造业中使用最为广泛的材料。材料发展的动力源于人们对它所制造产品的优良使用性能和低廉制造成本的追求。金属材料的性能取决于材料的内部结构和组织，而内部结构和组织又取决于材料的成分和加工工艺。正确选择材料，确定合理的热处理工艺，得到理想的组织，获得优良的使用性能，是决定机械制造中产品性能的重要环节。在我国经济飞速发展的同时，我们也要认识到我国和发达国家之间制造业水平的差距。我们应努力学习和掌握先进的材料加工制造技术，掌握金属材料性能和热处理的基本知识和原理，了解金属材料的应用，以及如何在生产实际中运用热处理工艺合理安排零件加工工艺路线，为我国材料工业的腾飞作出贡献。任务1 分析金属材料的力学性能1.能说出齿轮传动失效的原因。2.能够正确地使用强度指标判定材料的质量。3.通过硬度试验，初步掌握布氏、洛氏及维氏硬度的测量方法。4.初步认识机件失效的基本形式，了解失效的主要原因。5.培养独立思考和自主学习的习惯。
当今世界汽车的使用和保有量越来越大，汽车的使用安全性能也逐渐得到更多人的重视。汽车厂家每推出一款新车，都会进行汽车碰撞实验（图1-1-1）。不同车型在碰撞实验中的得分也会有所差别。影响汽车碰撞实验得分的主要因素有哪些？其中汽车的选材对汽车整体安全性能有影响吗？材料的力学性能有哪些？图1-1-1 汽车碰撞实验
思考1.材料的力学性能指标包括哪些？2.材料的强度、硬度、塑性等指标如何测定？
金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。使用性能包括力学性能（或机械性能)、物理性能和化学性能等。
工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成型加工方法制成成品的难易程度。工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。一、力学性能的概念
金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力——应变关系的性能，又称机械性能，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。二、拉伸试验过程分析
拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量，测定试样强度、塑性等力学性能的试验。
圆柱形拉伸试样分为短圆柱形试样和长圆柱形试样两种（图1-1-2）。
长圆柱形拉伸试样L=10d，短圆柱形拉伸试样L=5d。0000
在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量ΔL之间的关系曲线，称为力——伸长曲线（图1-1-3）。图1-1-2 圆柱形拉伸试样图1-1-3 退火低碳钢的力——伸长曲线
完整的拉伸试验和力——伸长曲线包括4个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、颈缩与断裂阶段。三、强度
强度表示金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。
材料抵抗能力越强，表示材料越能承受较大的外力而不变形和不被破坏。衡量强度高低的指标有弹性极限（σ）、抗拉强度（σ）和eb屈服点（σ）。s（1）弹性极限（σ）e
弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，用符号σ表示，单位为MPa。e
式中，F——试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉伸力，e单位为N；2
A——试样原始横截面面积，单位为mm。o（2）屈服点（σ）s
屈服点是指试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力，用符号σ表示，单位为MPa。s
式中，F——产生屈服现象时的拉伸力，单位为N。s（3）抗拉强度（σ）b
抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号σ表示，b单位为MPa。
式中，F——试样拉断前的最大拉伸力，单位为N。b（4）强度的意义
一般机械零件或工具在使用时不允许发生塑性变形，故屈服点σs是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。工程上还通过计算屈服比（σ/σ）来判断材料强度的利用率，屈服比高，则材料性能sb使用效率高。为什么汽车的车架用钢材而挡泥板等用塑料？四、塑性的测定
金属材料在静载荷作用下产生变形而不被破坏，当外力去除后仍能使其变形保留下来的性能，称为塑性。衡量塑性的指标有断后伸长率（δ）和断面收缩率。
1.断后伸长率
断后伸长率指试样拉断后标距的伸长量占原始标距的百分比，用符号δ表示。
式中，l——试样原始标距长度，单位为mm；o
l——试样拉断后标距长度，单位为mm。k
断后伸长率的大小与试样尺寸有关。长试样的断后伸长率用δ10或δ表示，短试样的断后伸长率用δ表示。对于同一材料，δ＞δ。5510
2.断面收缩率（ψ）
断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减值占原始横截面面积的百分比，用符号ψ表示。2
式中，A——试样原始横截面面积，单位为mm；o2
A——试样拉断后缩颈处最小横截面面积，单位为mm。k
金属材料的δ与ψ的数值越大，表示材料的塑性越好，可用锻压等压力加工方法成型；零件使用中稍有超载，也不会因其产生塑性变形而突然断裂，增加了材料使用的安全可靠性。五、硬度的测定
硬度表示金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
硬度是一项综合力学性能指标，金属表面的局部压痕可以反映出金属材料的强度和塑性。在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。
金属材料的硬度越高，其耐磨性越好。
硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法应用最为普遍。
在压入法中，常用的硬度测试工具有布氏硬度（HBW）计、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）计、维氏硬度（HV）计三种，如图1-1-4～图1-1-6所示。图1-1-4 布氏硬度计和试验原理示意图图1-1-5 洛氏硬度计和试验原理示意图图1-1-6 维氏硬度计和试验原理示意图六、韧性的测定
韧性表示金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。
金属材料的韧性通常采用吸收能量K（单位是J）来衡量，而金属材料的吸收能量通常采用夏比摆锤冲击试验方法来测定。
夏比摆锤冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的（图1-1-7）。
KV或KU表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量，KV或228KU表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。8
吸收能量越大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不被破坏的能力越强。
吸收能量对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成型加工、热处理工艺等方面的质量。图1-1-7 冲击试验机与试验示意图注意：一般强度高，硬度一定也高；一般塑性高，韧性相应也高；但硬度高，强度不一定高；而韧性高，必定强度和塑性都高。七、金属材料的疲劳强度
金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力值称为金属材料的疲劳强度，即循环次数N无穷大时所对应的最大应力值。
在工程实践中，一般求疲劳极限，即对应于指定的循环基数的中值疲劳强度。7
对于钢铁材料，循环基数N=10；对于非铁金属，循环基数8N=10。对于对称循环应力，其疲劳强度用σ表示（图1-1-8）。-1
影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度，可减少缺口效应，从而提高零件的疲劳强度（图1-1-9）。例如，采用高频淬火、表面形变强化（喷丸、滚压、内孔挤压等）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳-氮共渗）及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表层的残余应力状态，从而提高零件的疲劳强度。图1-1-8 对称循环应力图1-1-9 疲劳断口示意图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]