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课题二 机械零件的材料、结构工艺性和承载能力
【教材版本】
【教学目标】
1.了解机械零件的材料、结构和承载能力；
2.了解摩擦、磨损、机械润滑和机械密封；
【教学重点、难点】
教学重点：
1.机械零件的材料、结构和承载能力
2. 摩擦、磨损、机械润滑和机械密封
教学难点：
1.机械零件的材料、结构和承载能力
2. 摩擦、磨损、机械润滑和机械密封
【教学媒体及教学方法】
借助于多媒体课件，将静态的图形直观展示；通过教师的讲解、学生的观察、分析、讨论，师生充分互动，采用大量联系实际的案例，调动学生的学习积极性，培养学生观察分析、自主探究的能力，使全体学生在合作学习中都能有所收获。
【课时安排】
3课时（45分钟×3）
【教学建议】
教学中应交替使用教材、实物和图片。根据学生基本情况及学习本次内容后的总体反应，使用不同的教学方法，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。
【教学过程】
复习回顾（5分钟）
机器的组成及各部分功能
零件、部件、机构、机器的定义及四者之间的关系
新课讲授（120分钟）
三、机械零件的材料、结构和承载能力
1.机械零件的材料
工程材料的应用是社会生产和人类生活的物质基础，从石器时代发展到今天的复合材料和纳米材料时代，每一种新材料的出现，都会给社会带来巨大的变化。
常用的金属材料见表0-4。
表0-4 常用金属材料
材料 主要特点 制造的零件实例 使用场合说明
铸铁 碳质量分数ωC>2.11%的铁碳合金。具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性，但强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造 低牌号的灰铸铁（HT100 , HT150）可制造盖、座、床身等零件；高牌号的灰铸铁（HT200－HT350）可制造承受中等静载荷的零件，如联轴器、带轮、飞轮、机体等 可锻铸铁和球墨铸铁可制造要求强度和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、管接头、轴套等，特殊性能铸铁用于耐热、耐蚀、耐磨等场合
钢 0.02≤ωC≤2.11%的铁碳合金。具有较高的强度、韧性和塑性；可以采用铸造、锻造、焊接、冲压、切削等方法加工成形，还可以通过热处理方法改善性能； ；碳质以分数在；碳质袱分数 钢的品种繁多，是应用最广泛的金属材料 ωC≤0. 25%的低碳钢可制作铆钉、螺钉、连杆、渗碳零件等 0. 25%< ωC≤0. 60%的中碳钢可制作齿轮、轴、蜗杆、丝杠、连接件等 ωC＞0. 60%的高碳钢可制作弹簧、工具、模具等 合金结构钢可制造各类机械零件；合金工具钢用于制造刀具、模具、量具等；特殊性能钢如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等，用于特殊工况 铸钢用于铸造要求较高的复杂形状的零件，如机座、箱壳、大齿轮等
铜合金 减摩性和耐腐蚀性能好 铜套 常用铸造铜合金制作阀体、管接头等耐蚀零件及蜗轮、轴瓦、螺母等耐磨零件
铸造锡基和铅基轴承合金 减摩性、抗烧伤性、磨合性、耐蚀性、韧性和导热性均良好 用于制作滑动轴承的减摩层
除全属材料外，工程中也大量使用了非金属材料和复合材料。非全属材抖包括除金属材料外的几乎所有材料。如塑料、橡胶、陶瓷、粉末冶金、木料、毛毡、皮革、棉丝等。
常用非金属材料见表0-5。
表0-5 常用非金属材料
材料名称 材料类型 材料应用
工程塑料 热塑性塑料：如聚乙烯、有机玻璃、尼龙等 用于制作一般结构零件、减摩和耐磨零件、传动件、耐腐蚀件、绝缘件、密封件、透明件等
热固性朔料：如酚醛塑料、氨基基塑料等
橡胶 普通橡胶 用于制作密封件、减振件、传动带、输送带、轮胎、胶辊等
特种橡胶
陶瓷材料 现代机械装置特别是高温机械部分，使用陶瓷材料将是一个重要方向。如汽车火花塞采用陶瓷制造。
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。如粉末冶金材料、导电性塑料、光导纤维等。
复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。
复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。
复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。图0-18为复合材料在工程中的应用。
图0-18 上海杨浦大桥的桥面采用复合材料
表0-6 材料的选用原则
考虑因素 材料选用说明
使用要求 工作情况 零件表面相对滑动性能要求较高，应选用减摩性和耐磨性好的材料料； 在高温下工作的零件，选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件，选用耐腐蚀的村料
受载情况 零件尺寸取决于强度．且尺寸和质量又有所限制时，选用强度较高的材料；零件尺寸取决于刚度，选用弹性模量较大的材料；零件的接触应力比较高，选用可进行表面强化处理的材料
工艺要求 铸造性能 结构复杂的箱体类零件，宜采用铸造毛坯；重要的轴类和盘类零件，宜采用锻造毛坏；需要进行热处理的零件，宜采用合金钢；需要进行焊接的零件，宜采用低碳钢
锻造性能
焊接性能
切削加工性能
热处理性能
经济性 相对价格 单件或小批量生产时，推荐焊接结构，尽量利用库存材料或采用代用材料；零件的不同部位要求有所区别时，可用普通材料并对局部进行强化处理，也可采用不同材料的组合式结构；质量不大的零件要重视加工工艺 ,以防加工费用大于材料费；尽量减少同一机械中所用材料的品种；尽可能少用价格较高的有色金属和稀有金属，多用碳钢和铸铁等
生产批量
3.机械零件的结构工艺性
机械零件的结构工艺性是指在进行零件设计时，从选材、毛坯制造、机械加工、装配以及保养维修等方面所考虑的工艺问题。
机械零件应当满足结构工艺要求，以方便加工、节省材料、节约工时、提高工效、降低成本、保证质量。如铸造零件要考虑木模从砂型中顺利取出，要有起模斜度，铸件的厚度不能低于8mm，否则会出现铸造空洞；锻造零件要留有足够的加工余量，内孔太小时不留冲孔，只能在加工时钻孔；毛坯的长度要留出足够的尺寸余量，如果齿轮直径大于500 mm ,则不能用锻造的方法，只能采取铸造的方法获得；机械加工时要留出相应的中心孔、退刀槽、越程槽；热处理时要考虑热变形等等。
图0-19所示阶台轴，为了便于装配零性，其结构工艺要求有：（1）去毛刺并在轴端制出45 倒角（2）需要磨削加工的轴段，要留有砂轮越程槽（3）需要切制螺纹的轴段，要留有退刀槽。
图0-19 阶台轴
机械零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够方便而经济的生产出来，并便于装配成机器这一特性。影响机械零件结构工艺性的因素很多，涉及材料选择、毛坯准备、机械加工、装配维修等各方面。
3.机械零件的承载能力
机械零件丧失工作能力或达不到要求的性能时，称为失效。
机械零件主要失效形式有：因强度不足而断裂，过大的弹性变形或塑性变形，摩擦表面的过度磨损、打滑或过热，连接松动，压力容器、管道等的泄漏,运动精度达不到要求等。
零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力，对载荷而言的工作能力称为承载能力。
任何机械零件工作时都会受到力的作用，在这些力的作用下，材料所表现出来的性能称为材料的力学性能。
力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。强度是反映机械零件承受载荷时抵抗破坏能力的重要指标。
四、摩擦、磨损、机械润滑和机械密封
1.摩擦
摩擦:两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面间产生的阻止相对运动或相对运动趋势的现象。
摩擦力:阻止相对运动或相对运动趋势的力称为。
表0-7 摩擦的常见分类方法
分类方法 类型 含义
按运动形式分 滑动摩擦 两接触表面存在相对滑动时的摩擦
滚动摩擦 两物体沿接触表面滚动时的摩擦
按运动状态分 静摩擦 两接触表面存在相对运动趋势．但尚未发生相对运动时的摩擦
动摩擦 两接触表面存在相对运动时的摩擦
按发生物体分 内摩擦 同一物体各部分之间发生的摩擦
外摩擦 两物体接触表面间发生的摩擦
按摩擦副的表面润滑状态分 干摩擦 摩擦面不加润滑剂的摩擦
边界摩擦 在摩擦副间施加润滑剂后，使摩擦副的表面吸附一层极薄的润滑剂膜的摩擦
液体摩擦 在摩擦副间施加润滑剂后，摩擦副的表面被一层具有一定压力和厚度的润滑膜完全隔开的摩擦
混合摩擦 兼有干摩擦、边界摩擦和液体摩擦中两种摩擦状态以上的摩擦状态
在工程和生活中摩擦有其有利的一面，例如举重运动员在抓举前要抹防滑粉，从而增大手握杠杆时的摩擦力；自行车上的制动装置也是充分利用了摩擦。摩擦也有其不利的一面，例如机器运转时产生的摩擦会造成能量的无益损耗和机器使用寿命的缩短。相互摩擦的两个零件会产生磨损，磨损到一定程度，零件就会失效。
想一想：
（1）在雪地上行驶的车辆，通常都要在车轮上加装铁链，你能说出其中的原因吗？
（2）戴在手上的戒指取不下来时，你有什么好办法吗？其原理又是什么？
2.磨损
一切进行相对运动的机械零部件表面间都存在摩擦现象，都会产生磨损。磨损一般来源于摩擦，但在具体工作条件下影响磨损的因素很多。一般地说，磨损随着载荷和工作时间的增加而增加，软的材料比硬的材料磨损严重。
磨损的常见类型参表0-8。
表0-8 磨损的类型
类型 损伤机理 破坏形式 工程实例
粘着磨损 两相对运动的表面，由于粘着作用，使材料由一表面转移到另一表面 轻微磨损、涂抹、划伤、咬粘 活塞与气缸壁的磨损
磨粒磨损 摩擦过程中，由硬颗粒或硬凸起等对摩擦表面进行微观切削 产生磨屑或形成划伤 犁桦和挖掘机铲齿的磨损
表面疲劳磨损 摩擦表面材料的微观体积受循环应力作用，形成表面疲劳裂纹，并分离出微片或颗粒 摩擦表面出现“麻坑”，故又称之为“点蚀” 润滑良好的齿轮传动和滚动轴承，产生的点蚀
腐蚀磨损 摩擦过程中金属与周围介质发生化学或电化学反应而引起 表面腐蚀破坏 化工设备中与腐蚀介质接触的零部件的腐蚀磨损
单位时间（或单位行程、每一转、每一次摆动）内材料的磨损量称为磨损率。机械零件典型的磨损过程分为磨合磨损、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段。参表0-9
表0-9 磨损过程
磨损过程 主要特点
磨合阶段 磨损量较大，经短时间磨合后，磨损率降低，为进入稳定磨损创造了条件。是一种有益磨损
稳定磨损阶段 磨损率趋于稳定和缓和，经历的时间较长，标志着零件的使用寿命
剧烈磨损阶段 磨损率急剧增高，摩擦副温度迅速升高，表面发生严重损坏，机械效率下降，可能产生异常噪声和振动
3.机械润滑
进行有效的润滑，使摩擦副尽可能在液体摩擦或混合摩擦状态下工作，是减少磨损的重要措施。通过润滑，还可以达到降低温升、防止锈蚀、缓和冲击、减小振动、清除磨屑或形成密封等目的。
摩擦副供给润滑剂后，随运动参数、动力参数、几何尺寸、工况条件、接触状况、润滑剂性能指标等的不同，将呈现流体润滑、弹性流体动力润滑、边界润滑和混合润滑4种润滑状态。
用于润滑、冷却和密封机械摩擦部分的物质称为润滑剂。
润滑剂分矿物性润滑剂（如机械油）、植物性润滑剂（如蓖麻油）和动物性润滑剂（如牛脂）、合成润滑剂，如硅油、脂肪酸酞胺、油酸、聚醋、合成醋、梭酸等。根据外形，分为油状液体润滑油、油脂状半固体润滑脂和固体润滑剂。在一般机械中，通常采用润滑油或润滑脂来润滑。
常用的润滑方法及装置参表0-10。
表0-10 常用的润滑方法和装置
润滑方法 润滑原理及润滑装置 应用场合
油润滑 手工加油润滑 操作人员用油壶或油枪将油注入设备的油孔、油嘴或油杯中，使油流至需要润滑的部位。 用于低速、轻载、间歇工作的开式齿轮、链条及其他摩擦副的滑动面润滑。
滴油润滑 用油杯供油，利用油的自重流至摩擦表面。 常用油杯有针阀式油杯、均匀滴油杯和油绳式油杯
油环润滑 油环挂在水平轴上，下部浸入油中，依靠摩擦力被轴带动旋转，将油带至轴颈上， 用于低速旋转，润滑轴承
油浴和飞溅润滑 利用旋转构件（如齿轮、蜗杆或蜗轮等）将油池中油带至摩擦部位 用于闭式齿轮传动、蜗杆传动和内燃机等
喷油润滑 压力油通过喷嘴喷至摩擦表面，既润滑又冷却
对于v>10m/s齿轮传动，应采用喷油润滑，将油喷到啮合处的齿隙中
压力润滑 利用油泵、阀和管路等装置将油箱中的油以一定压力输送到多个摩擦部位润滑，即压力强制循环润滑 对于润滑点多而集中、负荷较大、转速较高的重要机械设备，如内燃机、机床主轴箱等，常采用这种润滑方法。
脂润滑 人工加脂 用于润滑点不多、单机设备上的轴承、链条等部位
脂杯加脂
集中润滑系统供脂 集中供脂装置一般由贮脂罐、给脂泵、给脂管和分配器等部分组成。 用于润滑点很多的大型设备、成套设备。
润滑系统的科学管理和正确维护对促进企业生产发展、提高经济效益有着极其重要的意义。“五定”是搞好润滑管理的有效措施。其主要内容为：
(1)定点 根据设备润滑卡片上指定的润滑部位、润滑点和检查点（油标、窥视孔等），实施定点加油、添油和换油，并检查油面高度和供油情况。
(2)定质 各润滑部位所加油或脂的牌号和质量必须符合润滑卡片上的要求，不得随便采用代用材料和掺配使用。
(3）定量 按照润滑规定的油和脂数量添加到润滑部位和油箱、油杯。
(4)定期 按照润滑规定的时间间隔进行添加油和换油。一般说来，设备的油杯、手泵、手按油阀和机床导轨、光杠等处每班加油1一2次；脂杯、脂孔每星期加脂1次或每班拧进1－2转；油箱每月检查加油2次，或定期抽样化验，按质换油。
(5)定人 按润滑卡片上分工规定，各司其职。
4.机械密封
密封的目的在于阻止润滑剂和工作介质泄漏，防止灰尘、水分等杂物侵入机器。
密封分为静密封和动密封两大类。两零件结合面间没有相对运动的密封称为静密封，如减速器上、下箱体凸缘处的密封；轴承闷盖与轴承座端面的密封等。实现静密封的方法有：靠结合面加工平整并有一定宽度，加金属或非金属垫圈、密封胶等。
动密封可分为往复动密封、旋转动密封和螺旋动密封。旋转动密封的类型参表0-11。
表0-11 旋转动密封的类型
类型 示意图 相关说明
接触式密封 毡圈密封 利用毡圈的弹性变形对轴表面的压力，封住轴与轴承盖间的间隙。 适用于轴线速度v＜10 m/s、工作温度低于125℃的轴上。常用于脂润滑轴承的密封，轴颈表面Ra不大于0.8μm。
唇形密封圈密封 依靠唇部4自身的弹性和弹簧的压力压紧在轴上实现密封。 a图为唇形密封圈的组成; b图唇口对着轴承安装的方向，主要用于防止漏油
c图反向安装两个密封圈，既可防止漏油又可防尘 主要用于轴线速度v<20 m/s、工作温度＜100℃的油润滑的密封。
机械密封 在液体压力和弹簧2的压力作用下，动环与静环的端面紧密贴合，构成良好密封。 用于高速、高压、高温、低温或强腐蚀条件下的转轴密封。
非接触式密封 缝隙沟槽密封 为了提高密封效果，常在轴承盖孔内制有几个环形槽，并充满润滑脂。 适用于干燥、清洁环境中脂润滑轴承的外密封。
曲路密封 在轴承盖与轴套间形成曲折的缝隙，并在缝隙中充填润滑脂，形成曲路密封。 适用于油润滑和脂润滑，且转速越高，密封效果越好
学习评价及作业（10分钟）
1、学习评价
充分体现学生在教学中的主体地位。通过学生的自我评价，使其能够进行客观地自我反思，清晰地认识自我、自我总结的一个过程；通过小组评价，可以使学生更加注重小组的团结协作、互相学习，加强团队意识；通过教师评价，体现教师在教学中的另一主体地位，引导教学的方向和进程，指导学生掌握学习方法，学会探索、发现规律，同时，培养能力强的学生积极思考，主动探究；激励能力弱的学生认真观察，积极参与，以提高教学效果。
2、课堂小结
简要小结本次课程的内容（学生归纳，老师点晴并指出需要注意的问题）。
3、布置作业：

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