《机械设计基础》课件第1章.ppt

目前，有限元法已发展成为科学技术中一种标准计算工具，其应用十分广泛。在机械工程中，凡计算零部件的应力、变形、动态响应、稳定性分析等，都可采用有限元法，如齿轮、轴、轴承、螺栓、活塞、连杆、压力容器、箱体等的应力、变形和动态响应计算以及润滑问题等。其具体作用是实现机械零、部件的优化设计，同时，作为结构分析的工具，实现结构的合理化。随着计算机的发展，采用有限元法进行设计时，人们不再需要花精力编写程序，可选择现有的各种商品化软件，由计算机进行辅助网格划分、前处理、输入节点坐标和单元联接信息，并可利用良好的人机对话和鲜明的视觉效果进行工作。5．创新设计创新设计是指在设计中，工程技术人员通过自己的创造性思维，采用新技术、新原理和新手段，设计出新颖独特的产品。显然，创新设计是机械设计的灵魂。有关创新设计的具体内容，将在本书第14章详述。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念1.4.1机械零件的常用材料机械制造的常用材料主要是钢和铸铁，其次是有色金属合金和非金属材料。1.钢钢是指碳的质量分数小于2%的铁碳合金，也是机械零件中应用最广的材料，具有较好的强度、韧性、塑性等性能，并可通过热处理来改善力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可由锻造、辗轧、冲压、焊接或铸造等方法获得。钢的种类繁多，其分类方法有五种：按用途分为结构钢和特殊钢；按化学成分分为碳钢和合金钢；按碳的质量分数的多少分为低碳钢(碳的质量分数低于0.25％)、中碳钢(碳的质量分数为0.25％~0.5%)、高碳钢(碳的质量分数大于0.5％)；按质量分为普通钢和优质钢；按炼钢时的脱氧程度和钢锭中气孔存在的情况分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。钢的命名和牌号，往往用几种分类的组合形式或用汉语拼音字母加数字表示。1)普通碳素结构钢普通碳素结构钢按性能又分四个等级，用A、B、C和D表示；而F、Z、b和TZ分别表示沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。通常表示符号为Z和TZ时可以省略。例如，普通碳素结构钢的标记：Q235-A·F，其中“Q”是屈服点的“屈”字的汉语拼音字头；235表示σS＝235MPa，其值为16mm直径(或厚度)的钢材的试验值；A表示A级；F表示沸腾钢。普通碳素结构钢用作焊接件、拉杆、铆钉等。2)优质碳素钢优质碳素钢的牌号是用碳的质量分数的万分数表示的，如25、45和55号钢分别表示碳的质量分数为0.25％、0.45％和0.55%。低碳钢强度不高、可淬性不好，只能用作强度不高的锻件和焊接件或经表面渗碳处理后用做表面耐磨、内部抗冲击的零件(如轴、齿轮等)；中碳钢可淬火和正火处理，用作较重要的轴和齿轮等；高碳钢可淬性更好，可以获得更高的表面硬度和强度，用作高强度的齿轮、曲轴和弹簧等。3)合金结构钢合金结构钢是在优质碳素结构钢中掺入适当的合金元素冶炼而成的。如锰(Mn)能提高材料的强度和韧性；钼(Mo)的作用类似于锰，而影响更大；镍(Ni)可提高材料的强度而不降低韧性；硅(Si)可提高材料的弹性和耐磨性，但会降低韧性；铬(Cr)能提高材料的硬度和耐磨性；钒(V)能提高材料的强度和韧性。合金元素总质量分数低于5%者称为低合金钢，高于5%者称为高合金钢。合金结构钢的牌号采用“数字＋合金元素符号＋数字”的方法表示。例如25CrMoV，其中，“25”表示平均碳的质量分数的万分数，即平均碳的质量分数为0.25％；合金元素符号后的数字表示该元素平均质量分数的百分数，若平均质量分数小于1.5％，其后则不标数字，若平均质量分数≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％……，则以2、3、4……表示。对于有害元素硫、磷含量较低(ωS≤0.02％、ωP≤0.03％)的优质合金钢，则在钢号最后加A，例如60Si2CrVA。合金钢的热处理工艺性好，但价格高,对应力集中较敏感。4)特殊钢具有特殊物理性能和化学性能的钢为特殊钢，如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢等，应用时可由材料手册中选择。5)铸钢机械中形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高的机械零件可用铸钢制造，其牌号前冠以字母ZG。对于碳素铸钢，在ZG后加两组数字表示它的屈服点和抗拉强度，例如ZG230-450，表示该铸钢的屈服点为230MPa，抗拉强度为450MPa。对于合金铸钢，则只在合金钢牌号前面加“ZG”，例如ZG35SiMn。铸钢的铸造性比灰铸铁差，故铸钢件的壁厚、连接处的圆角和过渡部分的尺寸均应比灰铸铁的稍大。2.铸铁碳的质量分数大于2%的铁碳合金称为铸铁，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性较差，无法进行锻造，但它的抗压强度较高，具有良好的铸造性、切削加工性和减摩性等，而且价格低廉，常用于