机械基础复习资料含习题答案（李世维版） - 图文

第二部分 机械基础

第四章 金属材料和热处理

?本章重点

1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。 2．了解：工艺性能的含义。 3．了解：热处理的概念及目的。

4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。 5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。 6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。 7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。

?本章内容提要 一．金属材料的性能

1．物理、化学性能

物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。

化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 2．金属材料的机械性能

金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

（1）强度

强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。常用的强度是抗拉强度。工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。

（2）塑性

塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。

L?Lδ?1o?100%伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。

Lo

式中，L0表示试样原长度（mm），L1表示试样拉断时的长度（mm）。

断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A1）的最大缩减量与原始横截面积（A0）的百分比。

A?A1

ψ?0?100% A0（3）硬度

硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。目前最常用的硬度是布氏硬度 （HB）、洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）和维氏硬度（HV）。

（4）韧性

1

韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。

（5）疲劳强度

疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。一般规定，钢铁

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材料的应力循环次数取10，有色金属取10。

3．金属材料的工艺性能

是指它是否易于加工成优良的机械零件或零件毛坯的性能。根据金属材料加工工艺的不同，可分为铸造性、焊接性、锻压性、切削加工性。

二．钢的热处理

人们常常利用加热、保温和冷却，有意识地改善钢的组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。工业生产中热处理工艺分为：

普通热处，即退火、正火、淬火、回火，俗称“四把火”

表面热处理，包括表面淬火（感应加热淬火、火焰淬火）、化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗）。

1.退火

是将钢加热到一定温度保温以后，随炉缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。其主要目的是降低硬度，提高塑性，细化或均匀组织成分，消除内应力。常用的退火有去应力退火、完全退火和球化退火。

2.正火

将钢加热到适当的温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。其目的是调整硬度，改善切削加工性；细化晶粒，均匀组织；消除网状碳化物，为球化退火或最终热处理作准备。正火和退火相比，正火的冷却速度快，所得组织更细密，强度硬度较高。

3.淬火

是将钢加热到一定温度保温后，快速泠却，以取得马氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高硬度、强度和耐磨性，淬火后必须配以适当回火。淬火是在冷却液中进行冷却，理想的淬火冷却液应该保证工件在650～500℃快速冷却，而在300～200℃慢速冷却。常见冷却方法有单液、双液、分级和等温淬火。淬火工艺应区分两个概念：淬硬性和淬透性。淬火的缺陷：硬度不足和软点、过热与过烧、变形和裂纹、氧化和脱碳。

4.回火

是将淬火后的工件重新加热到低于727℃的温度，保温冷却的热处理工艺。回火常是工件最终的热处理，淬火+回火是强化钢材的一个完整过程。其目的：消除淬火应力与脆性，稳定淬火组织，并获得较高的机械性能。按回火温度不同分：低温回火（150～250℃）、中温回火（350～500℃）、高温回火（500～650℃）。淬火后的高温回火也称为调质，在轴类零件、齿轮应用很多，可获得优良的综合力学性能。

5.表面热处理

只仅对工件表层进行淬火的工艺，以获得“表硬心韧”的力学性能。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。

2

保温 温加度 热水冷 （油冷）淬火 炉冷 空冷 退火 正火 回火 调质 时间

泪各种热处理的示意图

三．钢铁材料

非金属

材料的分类 有色金属

金属 铸铁

黑色金属 钢

钢铁材料是钢和铸铁的统称。

钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。 铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。 根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。 （一）碳素钢

碳素钢也称碳钢，使用最为普遍。它的主要成分是铁和碳，此外还有硫、磷、锰、硅。 1.分类

2.碳素钢的牌号表示、性能及用途 （1）普通碳素结构钢

牌号表示方法：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。

质量等级有：A、B、C、D

脱氧方法有：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。通常Z和TZ可省略。例如：Q235－AF

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普通碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表

（2）优质碳素结构钢 牌号表示法：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数，如45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。含锰量较高（WMn=0.7％～1.2％）的钢，在两位数字后面写“Mn”，如 60Mn钢。

脱氧方法表示法同碳素结构钢。

高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后面加“E”。

性能特点及用途见表（每种牌号的具体数值可查资料，这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍）

（3）碳素工具钢

牌号表示法：用“碳”的汉语拼音字首“T’加数字（表示钢的平均Wc的千分数）表示，例如，T8A。

这类钢Wc＝0.65％～1.35％，一般均需热处理后使用，主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具钢牌号、性能特点及用途见下表。

4

（二）合金钢

合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素就叫做合金元素。合金元素在钢中的作用，是通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间的相互作用提高了钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能。

1．合金钢分类

合金钢的分类方法很多，按主要用途一般分为：

合金结构钢：主要用于制造重要的机械零件和工程结构。 合金工具钢：主要用于制造重要的刃具、量具和模具。 特殊性能钢：具有特殊的物理、化学性能的钢。 ２．合金钢牌号表示方法 （1）合金结构钢

牌号采用两位数字加元素符号加数字表示。前面的两位数字表示钢的平均碳含量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量分数。当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标出2、3、4等。例如60Si2Mn，表示平均碳含量为0.6%；含硅量约为2%，含锰量小于1.5%。

（2）合金工具钢

牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量的千分数，当碳含量大于或等于1.00%时则不予标出。如：9SiCr，其中平均碳含量为0.9%，Si、Cr的含量都小于1.5%；Cr12MoV，表示平均碳含量大于1.00%，铬含量约为12%，钼和钒的含量都小于1.5%的合金工具钢。

除此之外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如GCr15为滚珠轴承钢，“G”为“滚”的汉语拼音字首。还应注意，在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。如GCr15SiMn，表示铬含量为1.5%，硅、锰含量均小于1.5%的滚珠轴承钢。

3．合金钢的性能和用途 （1）合金结构钢

合金结构钢按用途可分为工程结构用钢和机械机械制造用钢。

工程结构用钢主要用于制造各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等。这类钢是在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的钢，故名普通低合金结构钢（简称普低钢）。由于合金元素的作用，普低钢比相同含量的普通碳素结构钢强度高得多，而且还具有良好的塑性、韧性、焊接性和较好的耐磨性。因此，采用普低钢代替普通碳素结构钢可减轻结构重量，保证使用可靠，节约钢材。如用普低钢16Mn代替Q235钢，一般可节约钢材25%～30%以上。

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?Fx?0?Fy?0

?Mo?0（二）平面受力的特殊情况 1．平面汇交力系的平衡

各力的作用线全部汇交于一点的平面力系，称为平面汇交力系。如滚筒、起重吊钩。 若平面汇交力系的合力为零，该力系是平衡力系。平面汇交力系保持平衡的必要条件是： 平衡方程： Fx?0

Fy?0

2．平面平行力系的平衡方程

是作用在物体上相互平行，且作用线都在同一平面内的各个力所组成的力系。 平衡条件是：力系中所有各力的代数和等于零；以及各力对平面内任一点之力矩的代数和等于零。即：

?Fy?0

?MO?0

3．平面力偶系的合成与平衡

作用在物体同一平面内的力偶，称为平面力偶系。平面力偶系合成的结果为一合力偶，其合力偶矩等于各分力偶矩的代数和。

??

若力偶系平衡，则合力偶矩必为零。 平衡方程

M??m?0四．材料的强度

（一）内力与截面法 1．内力的概念

杆件在外力作用下产生变形，其内部相互间的作用力称为内力。这种内力将随外力增加而增大。当内力增大到一定限度时，杆件就会发生破坏。内力是与构件的强度密切相关的，拉压杆上的内力又称为轴力

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2．截面法

将受外力作用的杆件假想地切开，用以显示内力的大小，并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法。它是分析杆件内力的唯一方法。具体求法如下： ①截：在需求内力的截面处，沿该截面假想地把构件切开。 ②取：选取其中一部分为研究对象。

③代：将弃去部分对研究对象的作用，以截面上的未知内力来代替。

④平：根据研究对象的平衡条件，建立平衡方程，以确定未知内力的大小和方向。

?Fx?0N?P?0N?P（二）拉伸与压缩 1．拉压概念

受力特点：沿轴向作用一对等值、反向的拉力或压力。 变形特点：杆件沿轴向伸长或缩短。 这种变形称为轴向拉伸或压缩。

注意： （1） 外力的作用线必须与轴线重合。

（2）压缩指杆件未压弯的情况，不涉及稳定性问题。

2．拉、压时的应力

应力概念：单位截面面积上的内力称为应力。拉压杆横截面任一点均产生正应力。 应力计算：拉压杆横截面上正应力是均匀分布的。

N??

A 规定：拉应力为正；压应力为负。 单位：帕（Pa）或兆帕（MPa） 3．轴向拉压时的变形 NL?l?绝对变形?l为： EA 纵向线应变???l： l??E?式中 E---材料的弹性模量，MPa。

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这两个关系式称为虎克定律。

4．拉伸（压缩）时材料的力学性质

材料在外力作用下表现出的变形、破坏等

方面的特性称材料的力学性能，也称机械性能。 （1）低碳钢拉伸时的力学性能 比例极限?p 弹性极限?e

屈服极限?s 强度极限?b 弹性模量E

泊松比 ?

（2）铸铁的拉伸性能

特点： 无屈服过程 无塑性变形 无塑性指标

分类：

塑性材料??5% 脆性材料 ??5%

（3）材料在压缩时的力学性能

塑性材料的压缩强度与拉伸强度相当

脆性材料的压缩强度远大于拉伸强度

5．拉伸与压缩时的强度校核 （1）许用应力 塑性材料 ?????sn

脆性材料 ?????bn

式中n—安全系数。

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（2）强度条件：

?max?

Nmax?max?????校核强度： A N设计截面：

A?Nmax????A???max确定许可载荷： Nmax?A???

（三） 剪切和挤压 1．剪切的概念

受力特点：作用于构件两侧面上外力的合力等值、反向、作用线相距很近。 变形特点：截面沿着力的作用方向相对错动。 这种变形称为剪切

2．剪切内力、应力

平行于截面的内力称为剪力或切力。 截面法：切、取、代、平。

?Fy?0P?Q?0Q?P

单位面积上所受到的剪力称为剪应力。工程实际近似认为：剪应力均布。

??Q A单位: 兆帕（MPa）

Q?max?????3．剪切强度:

A

校核强度；设计截面；确定许可载荷。 4．挤压

（1）挤压概念:互相压紧而产生局部变形的现象称为挤压。(局部性） （2）挤压应力:压面上单位面积所受到的挤压力称为挤压应力。 工程实际近似认为：挤压应力均布。 Fjy?jy? Ajy

式中 Ajy---挤压面积，曲面取直径投影面积。

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（3）强度条件: ?jymax?jy???jy???Ajy

可解决校核强度；设计截面；确定许可载荷。 （四） 圆轴扭转 1． 扭转的概念

受力特点：在垂直于轴线的横截面内作用一对等值、反向的力偶； 变形特点：轴表面的纵线变成螺旋线。 这种变形称为扭转。

PM?9550e2．圆轴扭转外力偶矩计算

n

式中 M—轴外力偶矩，N·m； Pe—轴功率，kW; n—轴转速，r/min。 3．扭矩计算

圆轴扭转时横截面上的内力是一个力偶矩称为扭矩。 截面法：切、取、代、平。

符号规定：右手握轴，四指方向表示扭矩或外力偶矩转向，拇指向外，扭矩、外力偶矩为正；反之为负。

F

4．圆轴扭转的剪应力计算

圆轴扭转时，横截面上只有垂直于直径的剪应力。 MT? ??IP

MT max?Wt

式中 MT —横截面上扭矩，N·mm； ? —横截面上任一点半径，mm；

???IP —极惯性矩，mm4； Wt —抗扭矩，mm3。

4?D实心圆轴： IP??0.1D432

空心圆轴： I?0.1D4(1??4)P

式中 ??d/D

M5．圆轴抗扭强度条件 ?max?max?Wt

Wt??D316?0.2D3Wt?0.2D3(1??4)???20

2．力对物体的作用效果一般分为 效应 效应。静力学主要研究力对刚体的 效应。 3．限制非自由体的运动的物体称为非自由体的 ；约束反力的方向总是与约束所能阻止的物体的运动趋势的方向 。

4．柔体约束的约束特点是只能承受 ，不能承受 。 5．当力与坐标轴垂直时，则力在该坐标轴上的投影为 。

6．杆件内部由于外力作用而产生的相互作用力称为 。在某一范围内，它随着外力的增大 。

7．单位截面积上的内力称为 。

8．使材料丧失正常工作能力的应力称为 。

9． 和 是静力学的两个基本物理量。

10．构件发生剪切变形的同时，往往在其互相接触的作用面间发生 。 11．圆周扭转时，横截面上只有 应力，而没有 应力。 四．简答题

1．力偶中的两个力是等值反向的，作用力与反作用力也是等值反向的，而二力平衡条件中的两个力也是等值反向的，试问三者有何区别？

2．什么是截面法？用截面法求拉压杆的内力时分几个步骤？

3．什么是比例极限、弹性极限、屈服极限和强度极限？

4．两根长度、横截面积均相同，但材料不同的等截面直杆，当它们所受轴力相等时，试说明：

（1）两杆横截面上的应力是否相等？ （2）两杆的强度是否相同？ （3）两杆的总变形是否相等？

五．作图题

1．作出球A、物体B和滑轮C的受力图 2. 作出杆AB、BC的受力图

B F H E A F ? C G D D A 柔绳

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B E W1

C

六．计算题

1.求如图所示力F对O点的力矩。

2．如图所示，水平杆AB的A端用铰链固定在墙上，中点用杆CD拉住，L=1m，B端受力F=1kN，杆的自重不计，求杆CD的拉力和铰链A的反力。

C A 30 L 0D LB F

2

3．试求图中所示各杆件横截面1-1、2-2、3-3上的轴力，若杆件在1-1处的横截面积为10cm，求该截面的正应力（F1=50kN,F2=40kN,F3=30kN）

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第四章参考答案

一．判断题

1 × 2 √ 3 × 4 × 5 × 6 × 7 √ 8 √ 9 √ 10 × 11 √ 12 × 13 × 14 √ 15 × 16 × 17 × 18 √ 19 × 20 × 21 √ 22 √ 23 √ 二．选择题

1 B 2 D 3 A 4 A 5 B 6 A 7 A 8 B 9 B 10 A 11 C 12 C 13 B 14 C 15 B 16 C 17 B 18 C 19 A 20 A 21 A 22 C 23 A 三．填空题

1 小于2.11% 硅、锰、硫、磷 硫、磷 2 含碳量 温度

3 石墨 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 球墨铸铁 4 0.25%-0.50% 调质 调质 良好的综合性能 5 退火 正火 淬火 回火 退火 正火

6 轴瓦 内衬 锡基轴承合金 铅锡基轴承合金 铝基轴承合金 7 天然或合成树脂 添加剂 热塑性塑料 热固性塑料 热塑性塑料

第五章参考答案

一．判断题

1 × 2 √ 3 × 4 × 5 √ 6 × 7 √ 8 × 9 × 10 √ 11 × 12 √ 13 × 14 √ 15 × 16 × 17 × 18 √ 19 × 20 √ 21 √ 22 √ 23 × 24 √ 25 × 二．选择题

1 D 2 D 3 A 4 A 5 C 6 C 7 D 8 B 9 C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 B 15 A 16 C 17 A 18 C 19 A 20 B 三．填空题

1．不改变。

2．外效应、内效应、 外效应。 3．约束，相反。 4．拉力、压力。 5．零。

6．内力、增大。 7．应力。 8．极限应力。 9．力、力偶。 10．挤压。

11．剪应力、正应力。 四．简答题

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1．力偶中的两个力是平行的；作用力与反作用力是作用在两个物体上；二力平衡是作用在同一物体上。

2．用截面假想将杆件截开，然后在截面标出内力，再用静力平衡方程求出内力。步骤：切、取、代、平。

3．应力与应变保持正比关系的最大应力称为比例极限；只产生弹性变形的最大应力称为弹性极限；开始出现屈服现象的应力称为屈服极限；曲线最高点对应的应力值称为强度极限，它是强度指标之一。

4．（1）相等。（2）不同（3）不同。 五．作图题 1．

FD D B E A F FE H C I G FH FC WW1 2

FF

FG

2.

FBy′ FBy FBB x FD FBx′ B F D A FA

六．计算题

FE E C FA

FC

1．MO(F)?FL MO(F)?0 MO(F)?Fsinal 2．CD拉力4kN A反力Rx?3.46kNRy??1kN

3．N1=60N N2=10N N3=-30N ?1?60MPa

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