作者：贾宗太,高莉莉
出版社：航空工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
机械基础试读：
编者的话
本书是根据教育部《全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》及国务院《关于大力推进职业教育改革与发展的决定》的精神和要求，总结教师多年的教学经验编写而成的。
本教材具有以下几个鲜明的特色：（1）结构合理，方便教学。本教材采用模块化方式构建课程内容体系，主要内容分为五篇，每篇设置若干章节，用精确简练的语言对机械的基础知识进行介绍，深入浅出；在介绍应用案例时，按照由易到难的顺序，逐步引导学生掌握所学知识。教材中标“*”内容为选学内容，教师可根据情况灵活安排。（2）内容丰富，方便学习。本教材每个章节的前面都设置了本章导读和学习目标模块，使学生从整体上把握全章内容；章节后面有本章小结，总结全章的知识点，帮助学生理清全章知识脉络；章节的最后设置了思考与练习题，检验学生对全章知识的掌握程度。（3）形式活泼，突出重点。本教材在正文中按照内容需要，随机设置了“提示”“注意”“思考”“讨论”等小环节，用多种形式对重点内容进行呈现，以活跃课堂教学的气氛。此外，本教材采用双色排版印刷，突出重点内容，可增加学生的学习兴趣。（4）内容新颖，紧跟时代。本教材中，对涉及国家标准的知识和内容，严格按照最新标准讲解；在应用举例方面，紧跟时代的发展，重点体现各种新材料、新技术以及新工艺的应用。
在本教材的编写过程中，编者参考了大量与机械基础相关的资料和教材，由于联系不便，没有事先与原作者取得联系，在此深表歉意，并向他们表示衷心的感谢。
由于能力和水平有限，外加编写时间较仓促，书中不妥和错漏之处在所难免，恳请广大专家、同行和读者进行批评指正，以使本书内容在教学实践中不断得到完善。
另外，本书配有丰富的教学资源包，读者可登录北京金企鹅文化发展中心的网站（www.bjjqe.com）下载。编者2015年1月
绪论 认识机械
0.1 机械概述机械是人们在长期的生活实践中创造并不断发展的，用来降低工作难度、减轻工作强度或提高工作效率的工具或装置。人们日常生活的各个方面都离不开机械，如剪刀、缝纫机、洗衣机、电风扇、自行车、汽车、飞机等。机械工业是国民经济的重要支柱产业之一，其发展程度不仅是一个国家综合实力的重要体现，而且是居民物质生活水平的重要标志。
中国古代在机械方面有许多的发明创造，在动力的利用和机械结构的设计上有着不少精妙之处，如世界上第一台地震仪——候风地动仪（参见图0-1）、利用齿轮和轮系传动原理制造的指南车（参见图0-2）和能连续发射的诸葛连弩（参见图0-3）等。图0-1 候风地动仪（模型）图0-2 指南车图0-3 诸葛连弩
机械是人类文明的产物，它的每一次革新都伴随着人类社会生产力的飞速发展。18世纪，蒸汽机（参见图0-4）的发明促进了欧洲机械工业的快速发展，从而产生了第一次工业技术革命。其后，各种以蒸汽机作为原动机的机械开始出现，如纺织机、蒸汽火车（参见图0-5）和蒸汽轮船（参见图0-6）等。图0-4 瓦特发明的蒸汽机图0-5 蒸汽火车图0-6 蒸汽轮船
19世纪末20世纪初期，在第二次工业技术革命的浪潮中，内燃机的出现促进了交通工具的发展与革新。世界上第一辆汽车（参见图0-7）和第一架飞机（参见图0-8）相继问世，经过不断革新，各式各样的交通工具使人类的出行变得简单和快捷。图0-7 世界上第一辆汽车图0-8 世界上第一架飞机
20世纪中期，以电子计算机为代表的第三次工业技术革命逐步兴起，机电一体化技术和计算机控制技术在机械工业中得到应用，人们在航空探索、深海探测、机器人等领域研制了一系列的高新机械产品，如火箭、航天飞机、航空母舰、仿生机器人等。图0-9所示为我国自主研制的“长征”系列运载火箭，截至目前已成功发射190余次；图0-10所示为我国自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”深海载人潜水器，其最大下潜深度可达7 000米，可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域进行作业。图0-9 “长征”系列运载火箭图0-10 “蛟龙号”载人潜水器0.2 机器与机构0.2.1 机器
机器是人们根据使用要求而设计制造的一种执行机械运动的装置，它可以用来变换或传递能量、物料与信息，从而代替或减轻人类的体力和脑力劳动。随着社会的不断进步，各种机器在人们的日常生活和生产活动中扮演着重要的角色，如洗衣机、汽车、起重机、数控车床等。虽然这些机器的形状、结构和用途各不相同，但它们一般具有以下的共同特征：
属于人为的实体组合体；
各运动实体之间具有确定的相对运动；
能代替或减轻人类的劳动，利用机械能做功或进行能量转换。1.机器的组成
根据组成部分功能的不同，一部完整的机器一般包含五个部分，下面以轿车为例，介绍机器各组成部分的含义。
图0-11所示为轿车的五个组成部分，可以看出，一台完整的机器一般由动力部分、执行部分、传动部分、控制部分、支撑及辅助部分组成。图0-11 轿车的五个组成部分
动力部分：将其他形式的能量转换为机械能，是整个机器的动力源，如轿车中的发动机。各种机器常用的动力源有电动机、内燃机等。
执行部分：直接完成机器预定工作任务的部分，如轿车中的车轮。执行部分的运动形式有直线运动、回转运动或间歇运动等。
传动部分：连接动力部分和执行部分，用来传递运动和动力，如轿车中的离合器、变速箱、传动轴、差速器等。传动部分可以改变动力部分的运动形式或转矩的大小，从而满足执行部分的各种要求。
控制部分：控制机器中动力部分、执行部分和传动部分协调工作，以实现机器完成预定动作或实现预定功能的部分，如轿车中的方向盘、油门、刹车等。
支撑及辅助部分：用来安装和支撑其余组成部分，通常包括基础件、支撑构件、润滑及照明部分，如轿车中的车身、车灯、雨刮器等。
思考
分析下列机器的动力部分、执行部分、传动部分及控制部分：
电动自行车、普通车床、电风扇、电梯2.机器的类型
根据用途不同，机器可分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器，它们各自的用途及应用如表0-1所示。表0-1 机器的类型及应用
需要指出的是，现代机器的种类和功能越来越丰富，因此机器按功能的分类逐渐变得模糊。例如，对于工业机器人来说，进行焊接和装配时，它属于加工机器；用来搬运物品时，它属于运输机器。0.2.2 机构
机构是具有确定相对运动的构件的组合，它是用来传递运动和动力的构件系统。机器可以看做是一个或若干个机构的组合。如果从结构和运动的观点来看，机器和机构二者之间没有明显区别，故通常将机器和机构统称为机械。常用的机构类型有连杆机构、带传动机构、齿轮机构和凸轮机构等。
注意
机器与机构之间的联系：二者都是人为的实体组合，各个运动实体之间都具有确定的相对运动关系；区别：机器能利用机械能做功或进行能量转换，而单个机构往往不具备这一功能。例如，如图0-12所示的内燃机主要包括三个机构：带传动机构、曲柄连杆机构和凸轮机构。内燃机可以将燃料的内能转换为机械能，显然上述机构中的单个机构无法完成能量转换的功能。0.3 构件与零件
构件是指组成机构的各个具有相对运动关系的实物，它是机构中的运动单元。例如，内燃机的曲柄连杆机构中包括曲柄、连杆、活塞等构件。构件可以是一个整体，也可以由更小的单元装配而成。如图0-13所示，内燃机连杆是由连杆体、轴套、轴瓦、连杆盖、螺母、螺栓等装配而成的。机器中这种不可拆卸的制造单元称为机械零件，简称零件。图0-12 内燃机示意图图0-13 内燃机连杆的组成
零件是组成机器的基本单元，按照适用范围不同，零件可分为通用零件和专用零件两类。其中，通用零件在各种机器中都能用到，如螺栓、螺母、销钉、轴承、齿轮等；专用零件仅用于实现特定功能的机器，如内燃机的曲轴、起重机的吊钩、液压马达的叶片等。0.4 本课程的内容、性质及任务0.4.1 本课程的内容
本课程的内容是根据各近机类专业的开课情况，并结合学生需要掌握的机械基础理论和知识技能进行设置的。本课程将“工程材料”“工程力学”“机械原理”等传统机械专业课程的内容进行有机整合，安排了机械工程材料、工程力学基础、连接与轴系零部件、机械传动与机构、流体传动等五个版块的内容，突出了教学内容的实用性和综合性，并注重对学生动手能力和解决工程实际问题能力的培养。0.4.2 本课程的性质及任务
本课程是一门介绍机械基础知识、基本理论和分析方法，并且理论性和实践性都很强的技术基础课。课程的主要目标是培养学生处理一般工程问题的能力，同时也为后续专业课程的学习奠定必备基础。通过本课程的学习，学生应完成以下任务：
① 掌握一般机械中常用工程材料的类别、性能、用途及选材原则，并掌握常用金属材料热处理的作用及方法。
② 了解并初步掌握工程实际中简单力学问题的分析方法，并能对工程构件的强度进行分析和计算。
③ 熟悉常用机械零部件的结构和标准，掌握机械零部件的选用和基本设计方法。
④ 了解常用机械传动方式，掌握常用机构的运动原理，培养使用、维护一般机械的能力。
⑤ 了解液压与气体传动的基础知识，会进行简单液压与气动系统的调试和维护。0.5 本课程的学习方法
本课程的理论性、系统性和实践性都很强，在学习过程中应注意以下几点：
① 综合应用所学知识。本课程具有很强的综合性，在学习之前应综合了解工程制图、金工实习、互换性与测量技术等课程的基本知识，并注意各知识点之间的联系。
② 理论联系实际，做到学以致用。本课程所学内容与工程实际联系十分紧密，在学习过程中，应注重将所学基本原理与生活中的实物联系起来，以加深对基本理论和知识的理解。
③ 学会总结和归纳，提高分析和解决问题的能力。本课程的研究对象较多，在学习时应及时对研究对象所涉及的基本理论和原理进行归纳总结，以提高独立分析和解决工程实际问题的能力。
④ 在动手实践中领悟知识。本课程具有很强的实践性，学生应积极参加课程实验、实习、实训等实践内容，在动手中强化知识，提高能力。
第一篇 机械工程材料的分析与应用
第1章 金属材料及热处理
【本章导读】各种各样的材料为人类的生活和生产提供了丰富的物质基础。其中，用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料统称为机械工程材料。根据材料成分的不同，机械工程材料可分为金属材料和非金属材料两大类。图1-1所示为各种金属材料制造的零部件。金属材料在机械工业中具有广泛的应用，了解各种金属材料的性能、特点、用途及相应的热处理工艺，对成为一名合格的工程技术人员具有重要的意义。图1-1 金属材料制造的零部件【学习目标】
1.熟悉常用机械工程材料的种类、牌号、性能和应用。
2.了解常用金属材料的热处理工艺、特点及应用。
3.初步学会选择合适的材料和热处理工艺解决实际问题。1.1 金属材料的性能
金属材料在机械制造业中应用最为广泛，为了正确、合理地使用金属材料，必须了解金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两个方面。
使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性质和特点，主要包括力学性能、物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（如耐酸性、抗氧化性、耐热性等）。工艺性能是指金属材料被加工成所需零件的难易程度，主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能等。下面主要介绍金属材料的力学性能和工艺性能。1.1.1 金属材料的力学性能
金属材料的力学性能又称机械性能，它是指在外力的作用下，金属材料在强度和变形等方面表现出来的一系列力学性能指标，其反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的能力。金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1.强度（1）强度的概念
金属材料抵抗塑性变形（永久变形）或破坏的能力称为强度。强度与变形有着直接的关系，变形是指在外力作用下，材料由于内部原子之间的位置发生改变而导致的宏观形状和尺寸的变化。根据撤去外力后能否恢复，变形可分为弹性变形和塑性变形。材料发生塑性变形时，撤去外力后变形将保持不变，故塑性变形又称为永久变形，如汽车发生碰撞后保险杠的变形。
强度是材料的一项重要力学性能指标，当材料承受的载荷超出其强度范围时，其结构将发生破坏，导致机器无法运转，甚至造成严重的事故。图1-2（a）所示为三轮车车架由于承载过大而断裂的现象；图1-2（b）所示为飞机坠地时由于冲击过大而导致机身断裂的场景。图1-2 金属材料发生断裂的情形（2）拉伸试验
材料的强度通常由专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验。材料进行拉伸试验时，需要使用拉伸试验机（参见图1-3）和特制的试样。国标GB/T 228.1-2010《金属材料 室温拉伸试验方法》中规定了材料试样的形状和尺寸。常用试样的结构如图1-4所示，其中，d表示原始直径，L表示原始标距长度。00
进行拉伸试验时，将试样两端分别紧固在拉伸试验机上，逐渐增加轴向拉力（又称拉伸力），连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据可以绘制拉伸力与伸长量之间的关系曲线，称为力-伸长曲线或拉伸曲线。低碳钢的拉伸曲线如图1-5所示。图1-3 拉伸试验机图1-4 拉伸试样图1-5 低碳钢的拉伸曲线
在图1-5所示的低碳钢拉伸曲线中，横坐标表示试样的形变量ΔL，单位为mm，纵坐标表示拉伸力F，单位为N。由图可知，试样拉伸过程中经历了四个阶段，它们的力学特性如表1-1所示。表1-1 低碳钢拉伸曲线的分析（3）强度指标
强度的大小可由应力来表示。材料在受外力作用时，为抵抗变形，在其内部组织间产生的相互作用力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。在拉伸试验中，试样断裂前处于受力平衡状态，内力与外力大小相等，此时横截面上的应力大小为
式中：σ——横截面上的应力，单位为Pa；
F——试样所受拉力，单位为N；2
S——试样的横截面积，单位为mm。26
常用的应力单位为MPa，存在换算关系：1MPa =1N/mm =10N/26m =10Pa。
常用的强度指标有抗拉强度R（旧标为σ）和屈服强度R（旧mbeL标为σ）。其中，抗拉强度R是最大拉力F对应的应力，即R=F/smmmmS（S为试样原始横截面积）；屈服强度R为试样发生屈服时的应00eL力，即R=F/S。eLeL0
提示
对于铸铁、高碳钢等材料，它们没有明显的屈服现象，则很难确定准确的F，此时可将试样产生0.2%永久变形时的应力作为一种条eL件屈服强度，用符号σ表示。r0.22.塑性（1）塑性的概念
塑性是指金属材料受外力作用产生塑性变形（或永久变形）而不发生破坏的能力。塑性好的金属材料容易发生塑性变形，从而容易进行压力加工成形，图1-6所示为通过压力加工方法加工的轿车车门。使用中的车门会由于外力作用而发生变形，图1-7所示为碰撞后发生严重变形的轿车车门。图1-6 压力加工出的轿车车门图1-7 碰撞后的轿车车门（2）塑性指标
金属材料的塑性可由断后伸长率A和断面收缩率Z来衡量。二者都可通过拉伸试验进行测算。
1）断后伸长率A
断后伸长率是指试样拉断后，试样的伸长量ΔL与原始标距L的0百分比，用符号A（旧标为δ）表示，其计算公式为
式中：A——断后伸长率，无单位；
L——试样拉断后的标距，单位为mm；1
L——试样的原始标距，单位为mm。0
2）断面收缩率Z
断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号Z（旧标为ψ）表示，其计算公式为
式中：Z——断面收缩率，无单位；2
S——试样缩颈处的最小横截面积，单位为mm；12
S——试样原始横截面积，单位为mm。0
金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z越大，表示该材料的塑性越好，即能承受较大的塑性变形而不被破坏，适宜用轧制、锻造等塑性变形加工方法进行加工。
提示
工程上通常将在常温、静载条件下测定的断后伸长率A＞5%的材料称为塑性材料，如低碳钢、铜、铝合金等；将断后伸长率A＜5%的材料称为脆性材料，如灰铸铁、陶瓷、玻璃等。3.硬度
硬度是指材料发生局部变形以抵抗外部硬物压入其表面的能力。硬度是衡量材料软硬程度的依据，硬度越高，材料表面越不容易产生压痕或划痕。工业中通常利用硬度试验来测定材料的硬度。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测定的硬度值分别称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。三种硬度的试验原理、测定方法和应用范围如表1-2所示。
布氏硬度的表示方法为：硬度值+HBW+球体直径+试验压力+保持时间（10～15 s时不标注）。例如，硬度值325 HBW5/750表示采用直径5 mm的硬质合金球，在750 kgf（7 355 N）试验压力下保持10～15 s时测定的布氏硬度值为325。洛氏硬度的表示方法为：硬度值+符号，如85 HRA，55 HRC等。维氏硬度的表示方法为：硬度值+HV+试验压力+保持时间（10～15 s时不标注）。例如，640 HV 30/20表示用30 kgf试验力保持20 s测定的维氏硬度值为640。表1-2 三种硬度的比较4.韧性
韧性是指材料抵抗外界载荷冲击而不产生断裂破坏的能力。韧性越好，材料的抗冲击能力越强，发生断裂的可能性越小。韧性是金属材料的一项重要力学性能，许多金属零件和机械设备在工作过程中需要承受冲击载荷的作用，如发动机的活塞、锻压机床的锻锤等，为了保证它们的正常工作，在选择材料时必须要考虑材料的韧性。金属材料的韧性通常由冲击吸收功来衡量。冲击吸收功可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验的原理如图1-8所示。图1-8 冲击试验原理简图
试验前，按照有关国家标准在试样上加工出一定形状的缺口，并将缺口背对摆锤冲击方向。试验时，将摆锤抬起至一定高度H，然0后释放，由于重力的作用摆锤自由下落，冲断试样后继续摆动，记录最终的摆动高度H。摆锤损失的重力势能等于试样断裂过程中吸收1的功，即冲击吸收功，用符号A表示，单位为J。k
试验中测定的冲击吸收功不能直接用于工程计算，只能作为判断材料韧性的定性指标。冲击吸收功A越大，表示材料的韧性越好。k5.疲劳强度
零件在承受外部载荷作用时内部会产生应力，当外部载荷呈周期性变化时，应力也会作周期性变化，称为交变应力或循环应力。齿轮、轴承、曲轴等机械零件工作时需要承受交变应力的作用，虽然应力水平低于材料的屈服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发生断裂破坏，这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳。
金属材料的疲劳性能由疲劳强度来衡量。疲劳强度是指金属材料承受无限多次交变载荷的作用而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用而不发生疲劳破坏的能力。金属材料的疲劳强度可以通过疲劳试验进行测量，但实际操作中，金属材料不可能作无限多78次交变载荷试验。通常规定，钢在经受10次、非铁金属材料经受10次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。若施加的是对称循环应力，疲劳强度用符号R（旧标为σ）表示。-1-1
注意
疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，所以疲劳破坏容易造成很严重的后果。例如，2002年5月25日，台湾中华航空公司的CI611航班起飞25分钟后在澎湖马公外海坠毁，造成机上226人全部遇难。该飞机为波音747-200型客机，机龄超过22年。经调查发现，事故的主要原因是飞机尾部的金属发生疲劳断裂导致机身在空中解体。1.1.2 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能反映了金属材料加工的难易程度。良好的工艺性能表示材料的加工难度小。工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等。1.铸造性能
铸造是将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得具有一定尺寸、形状和力学性能的铸件或零件的成型方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力称为金属材料的铸造性能，它反映了金属材料熔化浇注成为铸件的难易程度。金属材料熔化成液态时的流动性越好，冷凝时的收缩性越小，凝固后的偏析性（指各化学成分的不均匀性）越小，则获得铸件的质量越好。
工业生产中，灰铸铁具有良好的铸造性能，因而被广泛用于铸造各种结构较复杂、大型的机械零件，如暖气片、钢管、管接头、车床底座等。图1-9所示为典型的铸件。图1-9 典型铸件2.压力加工性能
利用金属材料在外力作用下产生塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法称为金属压力加工，又称为金属塑性加工。常用的金属压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等，如图1-10所示。图1-10 常用压力加工方法
金属材料在压力加工过程中成形的难易程度称为金属材料的压力加工性能。它主要与材料的塑性有关，塑性越好，其压力加工性能就越好。同时，压力加工性能还与金属材料的成分及加工条件有关。例如，碳钢在加热到一定温度时容易锻造成形，而铝合金在室温条件下就很容易进行锻造加工。3.焊接性能
通过加热或加压，或者两者并用，使两工件产生原子间结合的加工方法称为焊接。常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊、自动焊等，如图1-11所示。金属材料在焊接过程中得到优质焊接接头的能力称为焊接性能，又称可焊性。焊接性能好的金属材料，焊接时焊缝不容易产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]