作者：罗文翠,安美玲
出版社：电子工业出版社
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机械设计基础(非机类)试读：
前言
现今高职高专专业设置岗位针对性强，同时对知识、能力的复合性要求高，许多高职高专非机械类专业需要初步的机械工程基础知识，这也是编写本书的主要原因。鉴于非机械类专业种类繁多，对机械基础知识的内容要求也不尽相同，因此，本书取材范围广泛，以便能够适应多数专业的需要。全书共10章，内容包括机械工程材料及力学性能、机械力学基础、机械传动、液压传动、机械加工基础及现代加工技术五部分内容。其中标注“﹡”号的内容为选学内容，各专业根据课时安排自行选择。
本书按照高职高专应用型人才的培养目标和教学要求编写，内容覆盖面广，包括了机械设计与机械制造的各方面知识；结合工程实际问题，针对非机械专业的特点，对基本概念和基本理论的阐述深入浅出，其数学推导过程将尽力简化或从略，各章节的知识深广度以“够用为度”，并力求“少而精”；贯彻最新的国家标准；引入新材料、新工艺、新技术的基本知识。
本书可作为高职高专院校非机械类专业学生学习机械基础课程的教材，也可供相关工程技术人员参阅。
本书由兰州工业高等专科学校罗文翠、安美玲主编。第1章由罗文翠、唐林虎编写，第5、7章由罗文翠编写，第2、3章由唐林虎编写，第4、6章及附录由安美玲编写，第8章由杨永萍编写，第9、10章由孙伟、易湘斌编写。
本书审稿人为兰州工业高等专科学校徐创文教授。
本书编写过程中得到了兰州工业高等专科学校有关领导和老师的大力支持，谨在此向他们表示感谢。
限于编者的水平和经验，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。
编者
2009年9月第1篇 机械工程材料及力学性能
在机械产品的制造过程中，机械工程技术需要解决的一个主要问题是对机械零件进行材料选择。本篇将从专业技术工作的需要出发，对常用的机械工程材料和力学性能作一基本介绍。第1章 机械工程材料
本章学习目的
通过本章学习，了解常用金属材料和非金属材料的分类、特点及应用，了解机械零件材料的选择原则。
本章学习要点
● 金属材料的主要性能；
● 常用金属材料和非金属材料的分类、特点及应用；
● 机械零件材料的选择原则。
机械工程材料（machinery engineering materials）是用以制造各种机械零件的材料的统称，通常分为金属材料和非金属材料两大类。目前在机械工业生产中，普遍使用钢铁、铜、铝等金属材料；另外，工程塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料的应用也日趋广泛，并展示出良好的发展前景。1.1 金属材料的性能
在生产实际中，不同的材料有不同的性能和用途。在选用机械零件材料时，熟悉材料的性能是非常必要的。金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。1.1.1 金属材料的力学性能
金属材料受到外力作用时表现出来的性能称为力学性能。力学性能主要是指强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。力学性能是机械零件设计和选材的主要依据。
1.强度
强度（strength）是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。根据受力状况的不同，材料的强度可分为抗拉、抗压、抗剪、抗扭和抗弯强度等。其中，抗拉强度是最基本的强度指标。工程上常用的强度指标有屈服强度σ和抗拉强度σ。金属的屈服强度、抗拉强sb度是通过拉伸实验测定的，拉伸实验在拉伸实验机上进行。实验时，首先将试样装夹在拉伸实验机上，用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，直至拉断。在整个拉伸过程中，拉伸实验机会自动记录载荷和试样相应的伸长量。屈服强度是指试样在拉伸过程中开始产生塑性变形时的最小应力值，用σ表示，对没有明显屈服现象的材料（如铸铁），规s定产生0.2%塑性变形时，试样单位面积上所承受的拉力作为屈服强度，用σ表示。抗拉强度是指试样在拉断前所能承受的最大应力值，0.2用σ表示。b
2.塑性
塑性（plastic）是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ，它们在标准试样的拉伸试验中可同时测出。
材料的δ和ψ越大，材料塑性越好。具有良好塑性的材料，有利于进行锻压、冷压和冷拔等压力加工，也是保证零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
3.硬度
硬度（hardness）是指材料表面抵抗硬物压入的能力，是衡量材料软硬的依据。硬度的测试方法很多，生产中常用布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法两种。（1）布氏硬度试验法
如图1-1所示，用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头，在载荷P的作用下压入被测试材料的表面，保持一定时间后卸除载荷，测量材料表面留下的压痕直径，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测材料的布氏硬度值。
在实际应用中，布氏硬度值一般不用计算方法求得，而是先测出压痕直径，然后从专门的硬度表中查得相应的布氏硬度值。图1-1 布氏硬度测试原理
布氏硬度指标有HBS和HBW两种。前者压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的材料；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450～650的材料。布氏硬度试验法常用于测定经退火、正火、调质处理的钢及铸铁、有色金属的硬度，但因压痕较大，不宜测试成品或薄壁金属的硬度。（2）洛氏硬度试验法
用一锥顶角为120℃的金刚石圆锥体或直径为1.588mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测试材料表面，保留一定时间后，卸除主载荷，然后可直接从硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB、HRC三种。
洛氏硬度试验法操作简便，压痕小，可以直接测定薄壁件和成品件，且硬度测试范围大。但因压痕小，准确度较差，故需在零件的不同部位测量数点，取其平均值。
4.冲击韧性
冲击韧性（percussive tenacity）用以反映金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度A来表征。冲击韧度是通K过冲击试验测定的。冲击试验中一次冲断试样单位截面积所消耗的冲击吸收功即为A，其大小可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。AKK值越大，材料的韧性就越好，在受到冲击时越不容易断裂。
5.疲劳强度
疲劳强度（fatigue strength）是指材料抵抗疲劳破坏的能力。疲劳破坏是指材料在交变应力作用下的破坏。
测试材料的疲劳强度，最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。实验测得的材料所受循环应力σ与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线，如图1-2所示。由图中可以看出，循环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。当应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力作用下，材料经无数次的应力循环而不发生疲劳断裂。工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。按GB 4337—84规定，7一般钢铁材料的循环次数取10次。当材料承受对称循环应力时，材料的疲劳极限用σ表示。—11.1.2 金属材料的物理、化学性能
1.物理性能
金属材料的物理性能（physics property）主要包括比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对金属材料的物理性能要求也有所不同。例如，飞机零件是用比重小、强度高的铝合金制造的，这样可以增加有效载重量；制造内燃机的活塞，要求材料具有较小的热膨胀系数；制造变压器用的硅钢片，要求具有良好的磁性。图1-2 疲劳曲线示意图
金属材料的一些物理性能，对热加工工艺也有一定的影响。例如，导热性对热加工具有十分重要的意义。在进行铸造、锻造、焊接或热处理时，由于导热性的缘故，金属材料在加热或冷却过程中产生内外温度差，导致各部位不同的膨胀或收缩，产生内应力，从而引起金属材料的变形和裂纹。
2.化学性能
化学性能（chemistry property）是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学浸蚀的能力。它主要包括耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。
一般金属材料的耐酸性、耐碱性和抗氧化性都是很差的，为了满足化学性能的要求，必须使用特殊的合金钢及某些有色金属，或者使之与介质隔离。如化工设备、医疗器械等采用不锈钢，工业用的锅炉、喷气发动机、汽轮机叶片选用耐热钢等。1.1.3 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。金属材料加工成为零件的四种基本加工方法是：铸造、锻压、焊接和切削加工（通常前三种加工方法称为热加工，而切削加工称为冷加工）。金属材料的工艺性能（technology property）包括加工工艺性能和热处理工艺性能。
按照加工工艺的不同，又分为铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。在生产中，对于导热性差的金属材料（如合金钢，尤其是高合金钢），应采取适当的措施，避免急剧加热或冷却，防止材料产生裂纹。
材料的热处理工艺性（heat treatment capability）是指材料的淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、热处理介质的渗透能力等。热处理能够提高和改善钢的力学性能，因此应充分利用热处理来发挥材料的潜力。
据统计，机床、汽车、拖拉机中约70%的零件需要进行热处理。各种切削刀具、量具、模具及滚动轴承几乎都必须进行热处理。零件进行铸、锻、焊等热加工后产生的内应力及表面的硬化，都必须通过热处理来消除。因此，热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。
热处理分为普通热处理和表面热处理，普通热处理是对工件整体进行热处理，根据加热温度和冷却方式不同，又分为退火、正火、淬火、回火。其中退火和正火常作为预先热处理，目的是消除铸、锻件的缺陷和内应力，改善切削加工性能，为最终热处理做组织准备；淬火加回火常作为最终热处理，目的是改善零件的力学性能，从而延长零件的寿命。表面热处理只对工件表层进行热处理，又分为表面淬火和化学热处理。1.2 常用金属材料
常用金属材料主要指碳钢（非合金钢）、合金钢、铸铁、有色金属（非铁金属合金）等，它们具有优良的性能，是工业领域的主要材料，在国民经济中扮演着重要角色。1.2.1 工业用钢
钢的性能好，价格低，品种多，规格全，并且可通过热处理改善其力学性能，是工业中用量最大的金属材料。
国家标准GB/T13304—91《钢分类》是参照国际标准制定的。该标准比较系统、详细地规定了钢的分类及表示方法。钢按化学成分可分为非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢（国际标准ISO 4948/1分为非合金钢和合金钢）；按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
1.碳素钢
碳素钢（carbon steel）是指含碳量小于2.11%，含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。其中硅、锰是有益元素，对钢有一定的强化作用，磷、硫是有害元素，分别增加钢的冷脆性和热脆性，应严格控制。
碳素钢有结构钢和工具钢之分。结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢，按质量又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。此外，结构钢还包括铸钢。（1）普通碳素结构钢（简称普通碳钢）
普通碳钢中含碳量在0.06%～0.38%之间，有害元素磷、硫含量较高，不需经过热处理，价格便宜，在满足性能要求的情况下，应优先采用。这类钢大多轧制成板材、型材（圆、方、扁、工、槽、角钢等）及异型材（如轻轨等），用于房屋、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件。
普通碳钢牌号的表示方法是用屈服极限“屈”字拼音首字母Q和屈服极限数值等组成。例如，Q235表示屈服极限数值为235MPa的普通碳钢。（2）优质碳素结构钢（简称优质碳钢）
优质碳钢中磷、硫及非金属夹杂物的含量较少，常用于制造需要经过热处理的各种较重要的机械零件。牌号用两位数字表示，该数字为平均含碳量的万分数。如45钢表示平均含碳量为0.45%。
优质碳钢中08F、10F含碳量低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冷冲压零件和焊接件，属于冷冲压钢。15、20、25钢属于渗碳钢，这类钢强度低，塑性、韧性较高，切削加工性和焊接性能很好，可制造各种受力不大但要求高韧性的零件，还可用做冷冲压件和焊接件。渗碳钢经渗碳淬火后，表面硬度可达60HRC以上，耐磨性好，而心部仍具有很好的韧性，常用于制造表面要求硬度高、耐磨，并承受冲击载荷的零件。30、35、40、45、50、55钢属于调质钢，经热处理后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、套筒、轴类零件。60、65、70、75、80、85钢属于高碳钢，经过热处理可获得高的弹性极限和硬度，常用于制造弹簧、手工工具及耐磨零件等。（3）铸钢
在重型机械、运输机械、冶金设备、国防工业中，许多形状复杂的零件很难用锻压等方法成型，用铸铁又不能满足性能要求，此时通常采用铸钢件，如变速箱体、轧钢机架、水泵体等。铸钢（cast steel）多采用碳素铸钢，当有特殊要求时也可采用合金铸钢。GB/T 11352—1989 规定铸钢的牌号用“ZG”表示，后面的两组数字分别表示屈服极限和抗拉强度值，如ZG310-570。（4）碳素工具钢
碳素工具钢的牌号用“T”表示，后面的数字为平均含碳量的千分数。若为高级优质钢，则后面加注“A”，如T10A。此类钢含碳量在0.7%以上，经淬火和低温回火后有很高的硬度和耐磨性。一般T7、T8用于制造中等硬度、韧性稍高的工具，如冲头、錾子、木工工具等；T9、T10、T11用于制造高硬度、中等韧性的工具，如手用锯条、丝锥、板牙等，也可用做要求不高的模具；T12、T13具有高的硬度和耐磨性，但韧性低，用于制作量具、锉刀、钻头、刮刀等。
2.合金钢
为改善和提高钢的性能，在碳钢中加入一定量的合金元素便成为合金钢（alloy steel）。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、铜、钒、钛、稀土元素等。合金钢只有经过热处理，才能使合金元素发挥作用，使其力学性能和特殊性能得到显著提高。合金钢的品种繁多，按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
1）合金结构钢
按其用途和热处理特点分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。除滚动轴承钢外，其余合金结构钢的牌号以钢中含碳量和所含合金元素的种类（元素符号）及含量表示，牌号的首部数字表示平均含碳量的万分数；合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均含量的百分数，含量低于1.5%时其后数字可省略。滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢，其牌号以“滚”或“G”和“元素符号+数字”表示，含碳量不标出，符号Cr后数字表示含铬量的千分数。例如，GCr15表示含Cr量为1.5%。（1）合金渗碳钢
渗碳钢是指经渗碳淬火、回火后使用的钢，用于制造表面承受强烈摩擦，并承受动载荷的零件。这类零件要求材料表面具有高硬度，而心部具有较高强度和韧性。常用的合金渗碳钢有20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20MnVB、20Cr2Ni4等。（2）合金调质钢
调质钢是指经调质处理（淬火加高温回火）后使用的钢，主要用于制造受力情况比较复杂的零件，如机器中传递动力的轴、连杆、齿轮等。这类零件要求具有良好的综合力学性能。常用的合金调质钢有40Cr、40MnVB、35CrMo、30CrMnSi、40CrMnMo、40CrNiMoA、30CrMnTi等。（3）合金弹簧钢
弹簧在动载荷、交变应力的条件下工作，因此要求制作弹簧的材料具有高强度、高的疲劳极限，足够的塑性、韧性。
弹簧钢是专用结构钢，主要制造各种弹簧和弹性元件。弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。常用碳素弹簧钢有55Mn和65Mn；常用合金弹簧钢有50CrVA和60Si2Mn。（4）滚动轴承钢
滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的内外圈及滚动体的专用钢，也可作为工具钢使用，用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。它具有高的接触疲劳强度、高的硬度、耐磨性、足够的韧性和淬透性。常用的滚动轴承钢有GCr9、GCrl5等。
2）合金工具钢
合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素制成的，由于合金元素的加入，提高了热硬性、耐磨性，改善了热处理性能。合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，但含碳量用一位数字表示，即平均含碳量的千分数，当平均含碳量大于等于1%时，可省略。合金工具钢均属高级优质钢，牌号后不标“A”。
合金工具钢常用来制造各种刀具、量具和模具等，对应地有刃具钢、量具钢和模具钢之分。
3）特殊性能钢
特殊性能钢（especial property steel）是指在钢中加入某些合金元素达到一定程度后，钢的组织和性能将发生某种特殊变化，从而获得具有特殊性能的合金钢。例如，不锈钢、耐热钢及耐磨钢、超高强度钢、低温用钢、电工用钢等均属于这一类钢。1.2.2 铸铁
铸铁（cast iron）是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业上常用的铸铁含碳量一般为2.5%～4%，与碳素钢相比，所含的碳和杂质较多，力学性能较差，不能锻造。但它具有优良的铸造性、减振性、耐磨性和切削加工性，而且成本低廉，生产设备和工艺简单，是机械制造中应用最多的金属材料。
根据碳在铸铁中存在形式的不同，常用铸铁有白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。
1.白口铸铁
白口铸铁中碳以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色，故称为白口铸铁。其性能硬而脆，极难切削加工。除制造一些要求表面有高硬度和耐磨的铸件，如冷铸车轮、轧辊等外，一般不用来制造机械零件，主要用做炼钢的原料。
2.灰铸铁
灰铸铁中的碳多以片状石墨形式存在，断口呈灰色，故称为灰铸铁。其性能硬而脆，它是铸铁中用量最大的一种，常用于制作受力不大，冲击载荷小，需要减振和耐磨的零件，如机床床身、机座、箱壳、阀体等。灰铸铁牌号由“HT”及数字组成，数字表示最低抗拉强度。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。常用的灰铸铁有HT150、HT200、HT350等。
3.可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经可锻化退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。与灰铸铁相比，可锻铸铁具有较高的强度和一定的塑性、韧性，故称为可锻铸铁，实际上并不可锻。它常用来制造汽车、拖拉机的薄壳零件、低压阀门和各种管接头等。国家标准GB9440—88和GB5612—85规定，可锻铸铁分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁，其牌号分别由“KTH”、“KTZ”、“KTB”和两组数字组成。第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率。常用的可锻铸铁有KTH330-08、KTH370-12、KTZ650-02等。
4.球墨铸铁
球墨铸铁中石墨呈球状，球状石墨对基体组织的割裂作用和应力集中都大为减小，因而有较高的力学性能，抗拉强度甚至高于碳钢。它主要用于制造受力复杂，承受载荷大的零件，如曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮等。球墨铸铁的牌号由“QT”和两组数字组成。数字含义同可锻铸铁。如QT400-18表示最低抗拉强度为400MPa，伸长率为18%的球墨铸铁。常用的球墨铸铁有QT400-18、QT600-3、QT900-2等。
5.合金铸铁
在铸铁熔炼时有意加入一些合金元素如Mn、Cr、W、Cu和Mo等，制成合金铸铁（或称为特殊性能铸铁）。例如，在铸铁中加入磷、铬、钼、铜等元素，可得到具有较高耐磨性的耐磨铸铁；加入硅、铝、铬等合金元素，可得到耐热铸铁；加入铬、钼、铜、镍、硅等元素，可得到耐蚀铸铁。它们主要用于内燃机活塞环、水泵叶轮等耐磨、耐热、耐蚀的 零件。1.2.3 非铁金属及其合金
在工程上通常将钢铁材料以外的金属或合金统称为非铁金属或有色金属（nonferrous metal）。非铁金属具有某些特殊的物理、化学和力学性能，如钼、镁、钛等合金密度小，强度高，具有优异的耐腐蚀性能；铜具有优良的导电、导热、抗蚀、抗磁等性能。因此，非铁金属及其合金也是现代工业生产中不可缺少的重要工程材料。
1.铝及其合金
纯铝的特点是密度小，导电、导热性好，塑性好，抗大气腐蚀性好，但强度和硬度低。工业纯铝主要用于制造电线、电缆、散热器，强度要求不高的耐蚀器皿、用具等。
铝与硅、铜、锰、镁等合金元素组成的铝合金强度高，密度小，而且可通过热处理进一步提高强度，是轻质结构件的重要材料。铝合金按其工艺性能分为适合于压力加工的变形铝合金和适合于铸造的铸造铝合金两大类。（1）变形铝合金
变形铝合金主要特性及用途如表1-1所示。表1-1 变形铝合金主要特性及用途
防锈铝合金主要是Al-Mg系和 Al-Mn系合金，具有很好的抗蚀性，强度适中，塑 性好。
硬铝是Al-Cu-Mg系和 Al-Cu-Mn系合金，通过热处理可使强度达到低碳钢甚至中碳钢的水平。但耐蚀性比纯铝差，更不耐海洋大气的腐蚀，所以有些硬铝的板材在表面包一层纯铝后使用。主要用做航空工业中的一般受力件。
超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系，在硬铝的基础上加锌而成，其强度高于硬铝，但耐蚀性较差。主要用做受力大的重要零件，如飞机大梁、加强框、起落架、螺旋桨叶片等。
锻造铝合金大多属于Al-Cu-Mg-Si系，力学性能与硬铝相近，但由于其热塑性较好，主要用于用压力加工方法如锻压、冲压成型的零件。（2）铸造铝合金
铸造铝合金的塑性较差，一般不进行压力加工，只用于铸造成型。按照主要合金元素的不同，铸造铝合金分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四类。牌号用“ZL”加三位数字表示，其中，第一位数字表示合金类别，如1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系；后两位数字表示合金的顺序号。如ZL102表示2号硅铝系铸造铝合金。
Al-Si系铸造铝合金具有良好的铸造性能和力学性能，是工业上应用最广的铸造铝合金，可用做内燃机活塞、汽缸体、汽缸套、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电动机、仪表的外壳等。
Al-Cu系铸造铝合金强度高，加入镍、锰可进一步提高耐热性，用于制作高强度和高温条件下工作的零件。
Al-Mg系铸造铝合金有良好的耐蚀性，可用做腐蚀介质条件下工作的铸件，如氨用泵体、泵盖及海轮配件等。
Al-Zn系铸造铝合金有较高强度，价格便宜，用于制造医疗器械、仪表等。
2.铜与铜合金
纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化铜膜后，外观为紫红色，俗称紫铜。由于纯铜用电解方法制造，又称为电解铜。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，塑性很好，又有一定的强度，易于压力加工。纯铜经冷塑性变形后，强度提高，但塑性下降。根据杂质含量不同，工业纯铜分为三种：T1、T2、T3。纯度为99.95%～99.7%，编号越大，纯度越低。由于纯铜强度低，不易用做结构零件，广泛地用于制造电线、电缆、电刷、铜管以及作为配置合金的原料。
铜合金按化学成分分为黄铜、青铜和白铜三大类。在机械生产中常用的是黄铜和青铜。（1）黄铜
黄铜（brass）是指以铜和锌为主的合金。不含其他合金元素的黄铜为普通黄铜；含有其他合金元素的黄铜为特殊黄铜，如铅黄铜等。
压力加工用普通黄铜的牌号用“H+数字”表示，数字表示平均含铜量的百分数，如H70表示平均w=70%，含锌量约为30%的普通Cu黄铜。常用普通黄铜有H80、H70、H62，其中，H80呈金黄色，可用做装饰品，有金色黄铜之称，有较好的力学性能和冷、热压力加工性能，在大气和海水中有较高的耐蚀性。H70强度高，塑性好，冷成形性能好，可用深冲压的方法制造弹壳、散热器、垫片等零件，有弹壳黄铜之称。因其铜锌质量之比为7∶3，也称为三七黄铜。H62有较高的强度，热状态下塑性良好，切削性能好，故又称为快削黄铜。此外，还具有易焊接、耐腐蚀和价格较便宜等优点，工业上应用较多，如用做散热器、油管、垫片、螺钉等。
特殊黄铜是在铜锌合金的基础上加入Al、Mn、Sn、Pb、Fe、Ni、Si等元素后形成的铜合金。这些合金元素的加入都能提高黄铜的强度，其中Sn、Al、Ni、Mn等还能提高其耐蚀性，铝能改善切削加工性和提高耐磨性。
特殊黄铜分为压力加工用和铸造用两种。压力加工用黄铜的牌号用“H+主加元素化学符号+数字”表示，数字依次表示铜和主加元素平均含量的百分数。如HPb59-1表示平均含Cu量为59%，含Pb量为1%，其余为锌的铅黄铜。
铸造用特殊黄铜的牌号与铸造用普通黄铜相同，在牌号后面依次加上加入元素的化学符号及平均含量的百分数。如ZCuZn40Pb2，表示平均含Zn量为40%，含Pb量为2%，其余为铜的铸造黄铜。（2）青铜
青铜（bronze）原指铜锡合金，又叫锡青铜。但目前工业上应用的大量不含锡而含Al、Si、Pb、Be、Mn等的铜合金，统称为青铜或无锡青铜。
青铜分为压力加工和铸造用两种。压力加工青铜的牌号用“Q+主加元素符号+数字”表示，数字表示加入元素平均含量的百分数。如QSn4-3，表示平均含Sn量为4%，含Zn量为3%，其余为铜的锡青铜。铸造青铜的牌号用“ZCu+主加元素符号+数字”表示，如ZCuSn3Zn8Pb6Ni1，表示平均含Sn量为3%，含Zn量为8%，含Pb量为6%，含Ni量为1%，其余为铜的铸造锡青铜。
锡青铜是由铜和锡为主组成的铜合金，锡青铜具有良好的强度、硬度、耐蚀性和铸造性。它是有色合金中铸造收缩率最小的合金，适于铸造形状复杂，尺寸要求较严的零件，因而成为自古至今制作艺术品的合金。锡青铜的耐腐蚀性比纯铜和黄铜都高，耐磨性也很好，多用来制作耐磨零件（轴瓦、轴套、蜗轮）和与酸、碱、蒸汽等接触的零件。
与锡青铜和黄铜相比，铝青铜具有更高的强度，更好的耐蚀性、耐磨性，具有良好的流动性，可得到致密的铸件，是无锡青铜中用途最广泛的一种。铝青铜作为价格昂贵的锡青铜的代用品，常用来铸造承受重载的耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴套、船舶等零件。最常用的铸造铝青铜是ZCuAl10Fe3。1.3 非金属材料
非金属材料通常是指除金属材料以外的一切工程材料，主要指高分子材料、陶瓷和复合材料等。其中高分子材料包括塑料、橡胶、纤维和黏结剂等。复合材料指两种或两种以上性能不同的材料组成的性能优异的非金属材料。1.3.1 高分子材料
高分子物质（high polymer（macromolecule）material）分人工和天然两大类。天然高分子物质有蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶以及存在于生物组织中的淀粉、蛋白质等。工程上所指高分子物质主要指人工合成的各种有机材料，以塑料、橡胶和纤维这三大合成材料为主。
1.工程塑料
工程塑料（engineering plastics）是指可以替代金属材料制造机器的零件或构件的塑料。与普通塑料和金属材料比较，它具有比强度（强度/密度）高，化学稳定性好，优良的耐磨、减摩、自润滑性，良好的绝缘性、减振性、消声性及成形工艺性等优良性能。其缺点是强度和硬度比金属材料低，耐热性和导热性差，容易老化。
工程塑料可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。热固性塑料可在常温或受热后起化学反应，固化成型。固化后，性能稳定，不再溶于溶剂中，也不能用加热方法使之软化，即热固性塑料只可一次成型，不可回收再生。热塑性塑料受热后软化、熔融，冷却后固化，再加热时又会软化，可以多次反复加工而化学结构基本不变。
2.橡胶
橡胶（balata，rubber）也是一种高分子材料，有很高的弹性、优良的伸缩性能和很好的积储能量能力，故成为常用的密封、抗振、减振和传动材料。橡胶还有良好的耐磨性、隔音性和阻尼特性。未硫化橡胶还能与某些树脂混合改性，与其他材料如金属、纤维、石棉和塑料等结合而成为兼有二者特点的复合材料。
橡胶有天然橡胶和人工合成橡胶之分，按应用范围不同又可分为通用橡胶和特种橡胶。综合性能较好的天然橡胶，主要用于制造轮胎；气密性好的丁基橡胶，主要用于制造内胎；耐油性好的丁腈橡胶，主要用于制造输油管及耐油密封圈等。
3.合成纤维
合成纤维（synthetic fibre）是指以石油、天然气、煤及农副产品等作为原料，经过化学合成方法而制得的化学纤维。按用途不同分为普通合成纤维和特种合成纤维两大类。
常见的普通合成纤维以六大纶为主，占到合成纤维总产量的90%以上，它们分别是：锦纶（尼龙）、涤纶（的确良）、腈纶（人造毛）、纤维、氯纶和丙纶。特种合成纤维的品种较多，而且还在不断发展，目前应用较多的有：耐高温纤维（如芳纶1313）、高强力纤维（如芳纶1414）、高模量纤维（如有机碳纤维、有机石墨纤维）、耐辐射纤维（如聚酰亚胺纤维）、防火纤维、离子交换纤维、导电性纤维、导光性纤维等。1.3.2 陶瓷
陶瓷（crockery）是指用各种粉状原料做成一定形状后，在高温窑炉中烧制而成的一种无机非金属固体材料。陶瓷的特性是：硬度高达1000～5000HV，是各类材料中最高的，抗压强度大，有较高的化学稳定性，耐高温，不怕氧化和腐蚀，隔热和绝缘性能好等。陶瓷的主要缺点是脆性高，抗拉、抗弯强度低。1.3.3 复合材料
复合材料（compound materials）是指为了达到某些特殊性能要求而将两种或两种以上不同性质的材料，经人工组合而得到的多相固体材料。它一般由高强度、高模量、脆性大的增强材料和低强度、低模量、韧性好的基体材料组成。因此，复合材料具有原组成材料所没有的优良综合性能，其强度、刚度、耐蚀性均优于单一的金属、聚合物及陶瓷，已成为一种大有发展和应用前途的新型工程材料。由于复合材料的优异性能和特点，在航空、汽车、轮船及压力容器等方面得到广泛应用。1.3.4 汽车运行材料
汽车运行材料（material for operation and service of motor vehicle）是指汽车运行中不可缺少的、不断消耗的，而且需要定期补充或更换的消耗性材料。汽车运行材料主要包括：燃料、润滑材料、工作液和轮胎等非金属材料。
汽车运行材料在汽车运行过程中消耗量很大，且其规格和牌号比较复杂，汽车的结构、性能、环境和使用条件等对运行材料又有着严格的要求，因此掌握汽车材料的有关知识是重要的。正确选择并合理使用运行材料，将在很大程度上影响汽车的使用性能、技术状况、寿命和成本等。
1.汽车燃料
汽车燃料是为汽车提供动力的可燃性物质。燃料燃烧时产生热能，通过能量转换装置转换成机械能而驱使汽车行驶。由石油炼制的车用汽油或轻柴油，具有热值高，对金属的腐蚀性小，燃烧后生成的灰粉小，储运方便等优点，是汽车的主要燃料。在一些特殊情况下，汽车也可采用代燃料。常用的代燃料有：液化石油气、乙醇、甲醇等液体代燃料；无烟煤、木炭、木材等固体代燃料；甲醇或苯与汽油按一定比例掺合的混合代燃料等。但代燃料一般不如汽油的热值高，多需在汽车上附加代燃装置。
燃料消耗费用在汽车运输成本中所占比重很大。因此，汽车设计和使用部门都采取各种技术措施，以降低燃料消耗量。就当前技术水平而言，按发动机功率计，每马力小时油耗：汽油为200～250g，柴油为150～200g。
2.汽车润滑料
汽车润滑料是用于汽车各相对运动零件摩擦表面间的润滑介质，具有减小摩擦阻力，保护摩擦表面的功能，并有密封、吸收和传散摩擦热以及清洗零件的作用。汽车润滑料主要有发动机润滑油、齿轮油和润滑脂。各种润滑料都有多种规格和不同的使用范围，应按技术规范正确选用和定期更换。
润滑料的消耗水平一般是用它与汽油、柴油的消耗比来表示，汽油发动机润滑油的消耗量为汽油消耗量的1.5%～3%，柴油发动机润滑油为2%～4%，单桥驱动齿轮油为0.4%～0.7%，双桥驱动齿轮油为0.5%～1%，润滑脂为0.2%～0.4%。
固态的石墨和二硫化钼常用做润滑剂或润滑料的添加剂。石墨有较好的耐压、抗磨和抗水性能，常与润滑脂混合用于汽车钢板弹簧叶片间的润滑。二硫化钼在高温、低温高速、重负荷及化学腐蚀条件下，均有较好的润滑效能。通常将二硫化钼粉作为润滑脂和润滑油的添加剂，添加量为3%～5%，多用于底盘轴承及轴销的润滑。
3.汽车特种液料
汽车特种液料是汽车某些机构工作必需的液料，主要有汽车制动液、汽车防冻液、液力变扭器液、动力转向器液、减振器液、制冷剂和电解液等。汽车制动液是汽车液压制动系统中传递压力的工作介质，俗称刹车油。汽车防冻液是发动机冷却系统用的循环介质，不仅具有防止散热器冻裂的功能，而且具有防腐蚀、防锈、防垢和高沸点（防开锅）的功能，可以有效地保护散热器，提高发动机效率，保障汽车安全行驶。液力变扭器液用于高级轿车和重型载货汽车装用的液力变扭器中作为传递扭矩的介质。变扭器液应具有较好的抗泡性，高温下有较好的抗氧化性，能在-25～170℃范围内工作。动力转向器液用于重型载货汽车或客车装用的助力式转向器中，作为传递转向力的介质，常与变扭器液通用。减振器液是汽车减振器的工作介质，它利用液体流动通过节流阀时产生的阻力起到减振作用，应具有良好的黏温性，以减小温度变化对黏度的影响。制冷剂是汽车空调器的工作介质。电解液用于铅蓄电池，由蒸馏水和硫酸按一定比例配制而成。
4.汽车轮胎
轮胎是汽车的行驶部件，由橡胶和骨架材料制成，装于车轮轮辋的外周，用以支承汽车重量和传递驱动力矩。为了延长轮胎行驶里程，降低轮胎消耗，需要经常保持规定的气压，不超载、不超速行驶。此外，要认真进行技术保养，检查前轮定位，检校轮辋偏摆、失圆，定期换胎位。在行驶中注意保护胎体，可为轮胎翻新创造条件。＊1.4 新型材料简介
新型材料是指那些新出现或已在发展中的，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新型材料是高新技术的产物，同时又是高新技术发展的关键。下面简单介绍几种新型材料。
1.纳米材料9
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10-m）的超细材料。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能改变。纳米材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料同样都是由原子组成的，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm。
纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。
2.智能材料
20世纪80年代中期人们提出了智能材料（smart materials或intelligent material system）的概念：智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，做出所期望的和能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。
智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、磁流变材料、电流变材料和智能高分子材料等。
3.超导材料
超导材料是具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素、几千种合金和化合物可以成为超导体。
超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同，主要有以下性能。
① 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
② 完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场就恒为零。
这些特性使得超导材料在科学技术领域越来越引人注目。
4.光导纤维
光导纤维又称为导光纤维﹑光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤维。它能将光的明暗﹑光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成的。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。
光纤传导光的能力非常强，利用光缆通信，能同时传播大量信息。例如，一条光缆通路同时可容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通信质量高，能防窃听。光缆的质量小而细，不怕腐蚀，铺设也很方便，因此是非常好的通信材料。目前许多国家已使用光缆作为长途通信干线。我国也开始生产光导纤维，并在部分地区和城市投入使用。
光纤除了可以用于通信外，还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。例如，可将光导纤维内窥镜导入心脏，测量心脏中的血压、温度等。在能量和信息传输方面，光导纤维也得到了广泛的应用。＊1.5 选择零件材料的基本原则
材料是构成机械零件实体的物质，也是零件制造过程中进行加工处理的基本对象。因此，材料的选择对零件的制造质量与制造工艺过程的经济性等具有极其重要的影响。
选择机械零件的材料时，必须满足使用性能、工艺性能和经济性三方面的要求。
1.使用性能
零件的使用性能是指其在工作时应具有的力学、物理和化学性能。在分析零件的工作条件和失效的基础上，提出使用性能要求。
零件的工作条件主要包括三个方面：
① 受载情况，包括载荷形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转等）、载荷性质（静载荷、动载荷、交变载荷和冲击载荷等）、载荷的大小和分布，以及受摩擦、磨损情况等。
② 工作环境，如工作温度、环境介质等。
③ 特殊要求，如导电、导热等。
机械零件大多都是在受载条件下工作的，因此材料的力学性能是选材的主要指标。只有零件在特殊条件下工作时，才将材料的物理性能和化学性能作为选材的主要指标。
一般在静载荷作用下工作的零件可以选用脆性材料；在动载荷、交变载荷的情况下，应选用塑性好的材料；受冲击载荷作用时，应选用冲击韧性好的材料。在滑动摩擦状态下工作的零件，应选用耐磨性好的材料；在高温下工作的零件，应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件，应选用耐腐蚀材料。若零件的接触应力较高，则应选用可进行表面强化处理的材料。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，则应选用强度较高的材料。若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。在选择要求减轻质量的零件材料时，应选用密度小、强度高的材料。
2.工艺性能
零件材料的工艺性能好坏，对其加工难易程度、生产率、制造成本等有很大的影响。因此，选材时必须对材料的工艺性能进行分析。
对于不同的工艺性能来说，同一种材料可能有不同的表现。例如，灰铸铁的铸造性能和切削加工性能很好，但其锻造性能和焊接性能却很差。因此，选材时应从整个制造过程考虑材料的工艺性能，进行综合权衡。此外，即使对同一种工艺性能，由于工艺条件的不同，同一种材料的表现也不一样。因此，生产中常通过改变工艺规范，调整工艺参数，改进刀具和设备，或通过热处理等途径来改善材料的工艺性能，以适应生产加工的需要。
3.经济性
在满足使用性能要求的前提下，选材时应充分重视材料的经济性，以降低零件的总 成本。
材料的经济性首先表现为材料的价格。金属材料中，碳钢和铸铁的价格较低，同时又有较好的工艺性能，因此，在满足使用要求的前提下，应优先选用，以降低制造成本。而我国铬、镍资源较少，含有这些元素的合金钢价格较贵，所以应尽量选用资源丰富的锰、硅、硼、铝、钒类合金钢来代替镍、铬合金钢。此外，采用适当的强化方法，提高廉价材料的使用性能，也可以获得良好的经济效益。
某些零件的不同部位对材料有不同的要求，如蜗轮的轮齿应具有优良的耐磨性和较高的抗胶合能力，而其轮体部分只需满足一定的强度，因此，对于尺寸较大的蜗轮，可以用青铜做成齿圈套在铸铁（或铸钢）轮体上，以节省贵重的青铜。
材料的经济性还表现在所选材料对总的制造费用和零件质量、寿命的影响上。采用制造工艺复杂的廉价材料制造零件，不一定比采用工艺性能好而价格较高的材料经济性好。例如，模具的制造费用昂贵，而其材料费用只占总成本的很小份额，仅为6%～20%，因此，采用价格较贵但使用寿命长的合金钢或硬质合金制造模具比采用价格低廉但使用寿命短的碳素工具钢更为经济。又如，某些箱体零件，在小批生产中，采用钢板焊接的成本反而比采用铸铁铸造成本低。＊1.6 毛坯的选择
任何零件都由毛坯经过加工，从而获得各种符合形状、位置、尺寸精度和表面质量要求的成品。毛坯选择合理与否，不仅影响毛坯本身的工艺过程、生产率、经济性，而且对后续的切削加工及设备的选择都有很大的影响。机械加工中常用的毛坯有：铸件、锻件、焊接件、型材及冷冲压件。选择毛坯制造方法时，主要考虑以下原则。
1.零件的形状与尺寸
选择毛坯的种类和制造方法时，总是希望毛坯的形状和尺寸尽可能地接近成品零件的形状和尺寸，从而减少加工余量，提高材料利用率，降低加工成本。因此，对于形状复杂的零件（如箱体、汽缸体、机床床身、机座等）应选用铸件，尺寸较大的用砂型铸造，尺寸较小的用压铸、熔模铸造等方法。对于各段直径相差较大的阶梯轴应选用锻件，尺寸较大的用自由锻，尺寸较小的用模锻或胎膜锻。此外，热轧型材的尺寸较大，精度低，多用于一般零件的毛坯；冷拉型材尺寸小，精度高，常作为自动机加工中小型零件的毛坯。
2.零件材料的工艺性能、力学性能要求
在选择零件毛坯时，要考虑材料的铸造性、锻造性、焊接性等工艺性能，铸铁、青铜的铸造性能好，而锻造性能很差，只能铸造成型。因铸件、焊接件的力学性能不及锻件，对于力学性能要求高的重要零件，如机床主轴、汽车传动齿轮、起重机吊钩等，应选择锻造成型。
3.生产批量
对于大批量生产的零件，为获得稳定的产品质量和提高生产率，应选用外形、尺寸与零件相近的高精度毛坯制造方法，如金属型铸造、压铸、模锻等。单件、小批生产时，应选用形状和制造工艺简单的毛坯。轴承座、机架等支架类零件，单件、小批生产时可用焊接件，而大批量生产时应选用铸件。
4.经济性
对于尺寸大、精度高的毛坯，需要采用昂贵的大型精密设备制造，使制造成本增加。这时可根据生产纲领和本企业的具体条件加以权衡，找到最适当的方法。例如制造重型零件，但又缺乏大型铸造或锻造设备时，也可采用铸造、锻造和焊接联合的方法来制造毛坯。
5.新工艺、新技术、新材料的应用
在选择毛坯时，要充分注意到利用新工艺、新技术、新材料的可能性。目前，精密铸造、精密锻造、冷挤压、粉末冶金、异型钢材、工程塑料等都在迅速推广，用这些方法制造的毛坯，只需经过少量的机械加工，甚至不需要加工。本章实例
轴类零件选材分析：
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力，轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性及耐腐蚀性等方面的要求。轴常用的材料是碳素钢和合金钢，近年来也有采用球墨铸 铁的。（1）碳素钢——价廉，应力集中不敏感，故应用较为广泛。一般的轴常采用优质碳素结构钢，其中45钢尤为常用。对受载较小或不太重要的轴，可用普通碳素结构钢（如Q235、Q275等）。（2）合金钢——机械性能（热处理性）更好，适合于大功率，结构要求紧凑的传动中，或有耐磨、高温（低温）等特殊工作条件，但合金钢对应力集中较敏感。常用的材料有40Cr、38 CrMoAl A等。
钢轴的毛坯常采用轧制或锻件。锻件的内部组织均匀，强度较大，故重要的轴宜采用锻件毛坯。（3）球墨铸铁——价廉，耐磨性好，吸振性强，对应力集中不敏感。但锻造轴的品质不易掌握，可靠性较差，仅用于铸造形状复杂的曲轴、凸轮轴等。思考题与习题
1-1 金属材料有哪些基本的力学性能和工艺性能?
1-2 什么是金属材料的强度、塑性和硬度?它们各有哪些主要指标?
1-3 金属材料在什么情况下会产生疲劳破坏?
1-4 钢和铸铁的区别是什么?二者在性能上有何差异?
1-5 说明下列金属材料牌号或代号的含义及其主要用途：Q235、45、T12A、40Cr、GCr15、W18Cr4V、ZG270-500、HT150、H62。
1-6 什么是工程塑料?与金属材料相比，工程塑料的主要优点有哪些?
1-7 橡胶、陶瓷各有什么特点及用途?
1-8 什么是复合材料?它有什么特点?
1-9 有下列零件，试给出它们所用的材料：螺钉、锉刀、钻头、冲模、齿轮弹簧、机床床身、变速箱体、滚动轴承、电话机外壳、桥梁构件。*第2篇 机械力学基础
本篇主要研究机构静力学平衡及杆件的变形。静力学研究力系的简化与刚体在力系作用下的平衡规律。静力学研究的对象为刚体，撇开物体受力时的变形而获得刚体的概念，这一理想化的力学模型是将事物抽象化的结果，抽象可以使问题简化。但当研究物体的条件改变以后，原来的模型就不再适用。当讨论物体内部的受力情况和它的变形时，刚体模型不再适用，材料力学中将建立另一种理想的弹性变形体模型。杆件是由固体材料制成的，在外力作用下要发生变形，这种固体又称为变形固体。载荷卸除后能消失的变形称为弹性变形，不能消失的变形称为塑性变形。第2章 机构的受力分析与平衡
本章学习目的
通过本章学习，理解静力学公理和物体的受力分析，掌握平面汇交力系与任意力系的合成以及平衡规律，从而为学习后续章节和工程设计打下坚实的基础。
本章学习要点
● 力、刚体、平衡的概念，约束及约束反力的特点和基本性质以及表示方法，构件受力分析方法及应用；
● 汇交力系合成的解析法，力矩的概念、合力矩定理与力偶、力偶矩的概念与性质，平面力偶系的合成方法与平面力偶系的平衡；
● 主矢与主矩的概念，主矢、主矩以及力系的等效与简化，物体的平衡问题。
本章属于理论力学（theoretical mechanics）的静力学部分，静力学研究刚体在力系作用下的平衡规律。它包括确定研究对象，进行受力分析，简化力系，建立平衡条件及求解未知量等内容。2.1 刚体的受力分析2.1.1 基本概念
1.力的概念与力系（1）力的定义
力（force）是物体与物体之间的相互机械作用。这种作用力对物体产生两种效应：一种是使物体的运动状态发生变化，称为力对物体的运动效应或外效应；另一种是使物体的形状产生变化，称为力对物体的变形效应或内效应。外效应包括物体的平动和转动；内效应包括物体的形状改变和体积改变。（2）力的三要素
由实践可知，力对物体的作用效应取决于力的大小、方向、作用点这三个属性，称为力的三要素。改变其中任何一个要素，都会使作用效应发生改变。
力具有大小、方向、作用点，所以力属于定位矢量。只具有大小与方向的矢量称为滑移矢量。（3）力的表示方法
在几何上，力可以用带箭头的线段表示，如图2-1所示，线段AB长度按比例表示力的大小，箭头表示力的方向，A或B表示力的作用点。箭头指向作用点表示压力，箭头离开作用点表示拉力。通过力的作用点沿力的方向的直线称为力的作用线。力的矢量通常用加粗的斜体字母表示，如F，手写时，在字母正上方加“→”或“—”表示矢量，如“”或“”，而力的大小则用字母F表示。图2-1 力的表示方法3
力的国际制单位是牛顿（N）或千牛顿（kN），1 kN=1×10 N。（4）力系与等效力系
所谓力系，是指作用于物体上的一组力的集合。如果一个力系对物体的作用能被另外一个力系替代而不改变作用效果，则这两个力系互为等效力系。与一个力系等效的力称为该力系的合力，力系中的各个力称为合力的分力。
2.力的作用方式
工程上，常把作用在物体上的力称为载荷，根据力作用方式的不同，可分为集中载荷与分布载荷。（1）集中载荷
当作用在构件上载荷的范围与构件尺寸相比是一个很小的量时，可简化为作用在一个点上，此力称为集中载荷。（2）分布载荷
当载荷的作用范围与构件尺寸相比是一个相当的量时，应直接按分布载荷处理。均匀分布的载荷，称为均布载荷。工程力学中，常见的有线均布力（如图2-2所示），其线分布密度用q表示，单位为N/m或kN/m。合力的大小为F=ql，方向与q的方向一致，作用点在均布q力跨度的中点（如图2-3所示）。图2-2 均布载荷图2-3 均布载荷的合成2.1.2 刚体与平衡的概念
1.刚体
所谓刚体（rigid body），就是在任何外力的作用下，其大小和形状始终保持不变的物体。
工程中的构件是由一些固体材料加工而成的。这些固体材料在外力的作用下会产生一定的变形，称为变形固体。对工程构件进行静力分析、运动分析和动力分析时，其变形对研究的影响非常有限，此时，可将构件视为刚体。显然，这种理想化的模型将会简化静力学问题。
2.平衡与平衡力系
静力分析中的平衡（equilibrium），是指物体相对参考系处于静止状态或作匀速直线运动。如果一个力系作用于物体并能使该物体保持平衡，则称这个力系为平衡力系（equilibrant system）。2.1.3 静力学公理与原理
静力学公理与原理是人们在长期的生活和生产实践中总结出来的，它们是静力学的 基础。
1.二力平衡公理与二力构件（1）二力平衡公理
作用于刚体上的两个力平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一直线上，如图2-4所示。
二力平衡公理对刚体来说，是平衡的必要与充分条件，但对于变形体，它是不充分的。例如，软绳受两个等值、反向的拉力可以平衡，但当受两个等值反向的压力时，就不能平衡了，如图2-5所示。图2-4 刚体在二力作用下的平衡图2-5 柔性体不能承受压力（2）二力构件
在两个力作用下处于平衡的构件一般称为二力构件，若二力构件的形状为杆状，则称为二力杆。工程中，一些构件的重力和它所承受的载荷相比小得多，可忽略不计，若它们只受两个外力作用而平衡，则均可简化为二力构件。
如图2-6所示，在不计自重时，图2-6（a）所示的托架中，AB杆在A端和B端分别受到作用力F和F处于平衡，此二力必过这两力作AB用点A、B的连线。再如图2-6（b）所示的三铰拱桥结构中的BC都是二力构件。图2-6 托架与三铰拱桥的二力构件
2.加减平衡力系公理与力的可传递性原理（1）加减平衡力系公理
在一个已知力系上加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。（2）力的可传递性原理
作用于刚体上某点的力，可沿着它的作用线滑移到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效果。如图2-7所示，作用于刚体上A点的力F，可沿着其作用线滑移到B点，而力F对刚体的效应不变。
由此可知，作用于刚体上的力的三要素是：力的大小、方向和作用线。这里所强调的是，力的可传递性原理不能适用于变形体。
3.力的平行四边形法则与三力平衡汇交原理（1）力的平行四边形法则
作用于刚体上同一点的两个力，可合成一个力。合力的作用点在此二力的交点上，合力的大小和方向由以这两个力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来确定。换言之，合力矢为这两个力矢的矢量和，如图2-8所示，用F表示F与F的合力，其矢量和的表达式为R12图2-7 力的可传递性原理示意图图2-8 平行四边形法则
一个力也可按平行四边形法则分解为两个分力。工程上常将一个力沿两个互相垂直的方向分解。如图2-9所示，从动齿轮轮齿对主动齿轮轮齿的反作用力可分解为切向分力F和径向分力F，这种分解称tr为正交分解。（2）三力平衡汇交原理
作用于刚体上的三个互相平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三个力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点，如图2-10所示。
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