過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)全冊(cè)配套完整課件

過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)全冊(cè)配套完整課件qWPMNxNy已知外力：W、P、q未知外力？安全可靠：材料、形狀、尺寸2構(gòu)件的受力分析受力分析是研究構(gòu)件變形和破壞規(guī)律的基礎(chǔ)本章主要討論兩個(gè)問(wèn)題：1)剛體的受力分析（圖）；2)運(yùn)用靜力平衡概念、研究平衡規(guī)律，求解未知力。靜力學(xué)：研究剛體平衡規(guī)律的科學(xué)

平衡：物體相對(duì)于地面保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。2.1靜力學(xué)基本概念

力：使物體具有運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的相互作用。力是矢量：具有大小和方向。力的單位：N（KN），Kgf1Kgf=9.8N力的三要素：作用點(diǎn)，方向，大小力/力系的作用效應(yīng)：外效應(yīng)/簡(jiǎn)化/等效力系/合力

剛體力的效應(yīng)力的效應(yīng)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化物體的形狀發(fā)生變化外效應(yīng)內(nèi)效應(yīng)

等效力系

若力系對(duì)同一剛體分別作用時(shí)，產(chǎn)生的效果完全相同，這兩個(gè)力系為等效力系。平衡力系若一力系能使剛體保持平衡狀態(tài)，這個(gè)力系為平衡力系（必須有一參照體系、時(shí)間限制）。qWPMNxNy概念：剛體、力系、平衡

受力分析目的：求解未知力總結(jié)

在已知力（主動(dòng)力）的作用下，確定未知力（約束反力）的大小和方向。受力分析的任務(wù)：靜力學(xué)公理1.二力平衡公理平衡力？反作用力二力平衡公理

作用于同一剛體上的兩個(gè)力，使剛體保持平衡的必要與充分條件是：這兩個(gè)力大小相等、方向相反、且作用在同一直線上?？梢砸斐龆U件。

二力桿件

受二力作用而平衡的構(gòu)件二力桿件不受構(gòu)件外形的限制，受力線在兩受力點(diǎn)的連線上。F1F2FBCABCFBFC二力構(gòu)件2.加減平衡力系公理FFN在一剛體上任意加上或減去一個(gè)平衡力系，而不改變?cè)ο祵?duì)該剛體的效應(yīng)。2.加減平衡力系公理推論：力在剛體上的可傳性。作用在剛體上的力可沿其作用線移動(dòng)，而不改變對(duì)剛體的效應(yīng)。F2FF1F3R3.平行四邊形法則4.三力平衡匯交定律剛體在三力作用下平衡時(shí)，若其中的兩力作用線相交于一點(diǎn)，則第三力的作用線必通過(guò)該點(diǎn)，且三力共面。F2F12F1F3O2.2約束、約束反力和受力圖約束：對(duì)于某物體的活動(dòng)起限制作用的其它物體；約束反力：限制物體運(yùn)動(dòng)的力；主動(dòng)力：引起物體運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力；被動(dòng)力：由主動(dòng)力的作用而引起的力；受力圖：對(duì)研究對(duì)象畫(huà)出的關(guān)于所有作用力的簡(jiǎn)圖。柔性約束約束反力的作用線沿著被拉直的柔性物體中心線且背離物體運(yùn)動(dòng)方向。GCBGBCSGAASTCT’CT’BTB光滑接觸面約束約束反力通過(guò)接觸點(diǎn)，并沿公法線，指向與物體被阻止運(yùn)動(dòng)的方向相反（即恒指向被約束的物體)ABOWNAN’ANBN’BABOW槽鐵對(duì)物體的約束固定鉸鏈約束

約束反力作用在接觸點(diǎn)上,作用線垂直銷釘軸線并通過(guò)軸心。桿件受力情況的不同時(shí),m點(diǎn)位置不同，約束反力隨之變化。受力分析時(shí)，用互相垂直的兩個(gè)分力代替方向待定的反力N?；顒?dòng)鉸鏈約束（輥軸支座約束）約束反力的指向必定垂直于支承面，并通過(guò)鉸鏈中心。M支座容器WNYNX固定端約束限制物體三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生三個(gè)約束反力。一個(gè)未知大小和方向的反力:即兩個(gè)互相垂直的分力一個(gè)反力矩。受力分析步驟確定研究對(duì)象,去除約束,取分離體畫(huà)圖畫(huà)作用力，先主動(dòng)力，后約束反力只畫(huà)外力，不畫(huà)內(nèi)力受力圖：表示分離體及其所受外力的圖。例1畫(huà)人孔蓋的受力圖NxNy例2畫(huà)機(jī)架的受力圖2WCADBCDDABWNAxNAyT’TT二力構(gòu)件：僅受二力作用而平衡的構(gòu)件。先分析。FABCPRBCRBR’BRAPFR’BCRC畫(huà)下列機(jī)構(gòu)各桿件受力圖2.3平面匯交力系的合成及平衡條件定義：作用于物體上的諸力的作用線位于同一平面內(nèi)，且匯交于一點(diǎn)。一、平面匯交力系的合成1、力在坐標(biāo)軸上的投影2、合力投影定理FF1F2多個(gè)力時(shí)靜力平衡條件二、平面匯交力系的平衡條件它的必要條件例2畫(huà)機(jī)架的受力圖2WCADBCDDABWNAxNAyT’TT二力構(gòu)件：僅受二力作用而平衡的構(gòu)件。先分析。例3求AB、BC桿的受力NBCNCBNABNBANBABBCA解：以小滑輪為研究對(duì)象，取分離體畫(huà)

受力圖如圖，為平面匯交力系，根

據(jù)平衡條件得：解得：平面匯交力系的解題方法根據(jù)題意，選取適當(dāng)?shù)奈矬w為研究對(duì)象，畫(huà)出受力圖。若約束反力的方向不能預(yù)先判定，可以先進(jìn)行假定。在力系的匯交點(diǎn)上，選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。選取的坐標(biāo)系應(yīng)盡量使力的投影計(jì)算簡(jiǎn)便。一般應(yīng)使坐標(biāo)軸與較多的力平行或垂直。由平衡條件列出平衡方程，求解未知量。教材P21：例2-32.4平面力偶系的合成和平衡條件2.4.1力矩與合力矩定理一、力矩二、合力矩定理

力矩的效果：轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的單位：牛?米（N?m）平面匯交力系中的合力F2.4.2力偶與力偶矩定義：作用在物體上一對(duì)大小相等、方向相反不共作用線的平行力；作用效應(yīng)：使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；力偶矩：力的數(shù)值與力臂的乘積M＝±F?d,±表示力偶使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,規(guī)定逆時(shí)針轉(zhuǎn)向的力偶為正;F?d表示轉(zhuǎn)動(dòng)效果的大小。單位：N?m。力偶矩的實(shí)質(zhì)：力偶的兩個(gè)力對(duì)力偶平面內(nèi)任意點(diǎn)的矩的代數(shù)和。特征：只要M＝Fd相等，使物體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，這兩個(gè)力偶的作用效果完全相同，稱為等效力偶或互等力偶。受力分析時(shí)可互相代替。力偶三要素：？？？2.4.3力偶的合成和平衡條件M1=F1d1,M2=F2d2

將M2化為力臂為d1,力為K2的等效力偶，則:K2＝M2/d1

合力：R＝F1＋K2

合力偶：M=Rd1=(F1+M2/d1)=M1+M2平衡條件：2.5平面一般力系的合成和平衡條件

力線平移定理yox.F1F4F3F2ox.F1M4F3F2CCM1M2M3F4

通過(guò)力的平移，將原平面一般力系簡(jiǎn)化為一個(gè)平面匯交力系和一個(gè)平面力偶系。

平面一般力系向已知點(diǎn)簡(jiǎn)化處理方法：將平面一般力系轉(zhuǎn)化為一組匯交力系和一組力偶系。

平衡條件：

平面一般力系的平衡條件例4求懸臂梁的約束反力lqBA解:相當(dāng)于合力Q=ql作用于中心位置l/2處qlBABRAyMRAXQ例5（習(xí)題2-16）求E點(diǎn)的反力和BD桿的受力以E為支點(diǎn)：BD為二力桿本章作業(yè)

思考題：P34

習(xí)題：2-3,5,92-13、2-17本章總結(jié)

研究對(duì)象

研究任務(wù)

研究方法習(xí)題NAyNAxNBNB=7.05KN，NAX＝14.1KN，NAY=7.05KN習(xí)題NAyNAxNBNB=10KN，NAX＝21.15KN，NAY=7.01KN習(xí)題NAyNAXNB習(xí)題NAyNAXNB3拉伸與壓縮3.1材料力學(xué)的任務(wù)和研究對(duì)象3.2直桿拉壓的應(yīng)力與強(qiáng)度條件3.3拉壓的變形與虎克定律3.4材料的力學(xué)性能與測(cè)試3.5交變應(yīng)力和應(yīng)力集中3.1材料力學(xué)的基本概念材料力學(xué)的任務(wù)：安全+經(jīng)濟(jì),技術(shù)經(jīng)濟(jì)材料力學(xué)的研究對(duì)象：變形固體（構(gòu)件）

安全可靠：在力學(xué)角度必須滿足——足夠的承載能力（足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）

經(jīng)濟(jì)之一：合適選材、減少材料消耗概念：彈性變形、塑性變形材料力學(xué)的基本假定：

小變形條件，材料的連續(xù)性，各向同性構(gòu)件的類型:板、殼、桿桿件基本變形的形式：拉壓、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)小變形條件：變形很微小連續(xù)性假設(shè)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)是密實(shí)的、連續(xù)的各向同性假設(shè):材料在各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)都相同。表3-1基本的變形形式變形形式工程實(shí)例受力簡(jiǎn)圖拉伸或壓縮剪

切扭

轉(zhuǎn)彎

曲軸力：沿桿的軸線作用的內(nèi)力。規(guī)定——拉壓變形時(shí)軸力拉為正，壓力為負(fù)。沿桿軸線各橫截面上的軸力各不相同，可用軸力圖畫(huà)出其分布。內(nèi)力和截面法外力：物體對(duì)構(gòu)件的作用，如約束反力、主動(dòng)力;內(nèi)力：構(gòu)件一部分與相鄰部分之間的相互作用力;截面法：假想將桿件切開(kāi)，使內(nèi)力轉(zhuǎn)化為外力，運(yùn)用靜力平衡條件求出截面上內(nèi)力的方法。例1步驟：截、取、代、平例3.1例3-1 求直桿的內(nèi)力例3-2承受軸向拉壓載荷的構(gòu)件：ABC

3mG+Q1.5mPPN3.2直桿的拉伸和壓縮吊構(gòu)、機(jī)架、聯(lián)結(jié)螺栓、支腿、千斤頂?shù)穆輻U3.2直桿的拉伸和壓縮一、直桿軸向拉壓時(shí)橫截面上的應(yīng)力FFmmFmmN應(yīng)力單位面積上內(nèi)力的大小，衡量桿件受力的強(qiáng)弱程度。外力：大小相等，方向相反，作用在直桿兩端，作用線與軸線重合。內(nèi)力：軸力；平面截面假設(shè)；正應(yīng)力：

＝N/A表示橫截面上各點(diǎn)所受的內(nèi)力的數(shù)值，方向與橫截面垂直。規(guī)定：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)單位：帕，N/m2；直桿拉壓變形的特點(diǎn)教材P41：例3-2，計(jì)算攪拌釜軸的應(yīng)力3.3直桿拉壓時(shí)斜截面上的應(yīng)力研究直桿在任意斜截面上的應(yīng)力分布FFnk

k

=f

sin=cos.sin=/2.sin2nFf

斜截面上的應(yīng)力：f

=N/A,A=A/cosf

=N/A=N

cos/A=cos

=f

cos=cos.cos=/2.(1+cos2)直桿受軸向拉壓時(shí)，在斜截面上同時(shí)出現(xiàn)正應(yīng)力

和剪應(yīng)力

，為的函數(shù)。在=0o的截面上，

=max=，即橫截面上的正應(yīng)力最大，此時(shí)剪力=0。在=45o的截面上，

=max=/2，該截面上的剪應(yīng)力最大，此時(shí)

=

=/2。在=90o的截面上，

=max=0，即縱向截面上無(wú)應(yīng)力。

=(1+cos2)●/2

=sin2●/2危險(xiǎn)應(yīng)力σ0

構(gòu)件開(kāi)始破壞時(shí)的極限應(yīng)力。強(qiáng)度條件

σ

max<σ0

許用應(yīng)力[σ]=σ0/n取許用應(yīng)力[σ]的理由：1、補(bǔ)償構(gòu)件實(shí)際工作情況與設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所設(shè)想的條件不一致。2、必要的強(qiáng)度儲(chǔ)備。三.強(qiáng)度條件3.4直桿軸向拉壓時(shí)的強(qiáng)度條件考慮實(shí)際情況及必要強(qiáng)度儲(chǔ)備后，強(qiáng)度條件為：

σmax<[σ]1)強(qiáng)度校核：σmax<[σ]2)截面設(shè)計(jì)：A>N/[σ]3)確定許可工作載荷：N<[σ].A根據(jù)強(qiáng)度條件可完成三件工作：解：N=P

=N/A=P/(d2/4)=199MPa

[

]

強(qiáng)度不夠，不安全例3-3管道吊桿直徑d=8mm，材料為Q235，[

]=125MPa，管道重量P=10000N，校核桿件強(qiáng)度。PPN圓整后取吊桿直徑d=12mm。例3-4已知G=5KN，BC桿d=20mm，材料

Q235，[]=120MPa，求[Q]解：以B鉸為研究對(duì)象，受力如圖。列出平衡方程：

Fy=0,NBC?sin

(G+Q)=0

則NBC=(G+Q)/sin,

由強(qiáng)度條件

=

NBC

/(d2/4)

[]，解得：

[Q]11.85KNG+QyNBCBxNBAABC

3mG+Q1.5mABC

3mG+Q1.5m3.5直桿拉壓的變形和虎克定律金屬材料約0.3，表3-1絕對(duì)變形ΔlΔa相對(duì)變形泊松系數(shù)

虎克定律

物理中

將上式兩邊除以截面積A，則：E稱為材料的拉壓彈性模量，表示材料抵抗彈性變形的能力。表3-1例題3-5N1Q1122FN211FFQ22解：N1=F=10KN

1=N1/A1=...=127.3MPal1=Fl1/EA=0.637mmN2=F+Q=12KN

2=N2/A1=...=38.1MPal2=Fl2/EA=0.0955mml=l1+l2=0.73mm3.6材料的力學(xué)性能

材料的強(qiáng)度及測(cè)定一)低碳鋼的拉伸試驗(yàn)及其機(jī)械性質(zhì)金屬拉伸試驗(yàn)試樣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：l=10d和l=5d

材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的各種性能稱為力學(xué)性能(機(jī)械性能)。力學(xué)性能試驗(yàn)室

強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)拉伸時(shí)載荷與伸長(zhǎng)量曲線拉伸時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變曲線彈性階段ob：基本符合虎克定律，比例極限

p屈服階段ac：屈服現(xiàn)象，屈服極限

s強(qiáng)化階段ce：強(qiáng)度極限

b頸縮斷裂階段ek：局部變形階段延伸率：，塑性指標(biāo)，塑性材料和脆性材料截面收縮率：

=（A-A1）/A100%σ-ε圖四階段二)其它材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線塑性材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線名義屈服極限σ0.2其它塑性材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線脆性材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線三)壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線塑性材料壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線脆性材料壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線四)材料的沖擊韌性及測(cè)定指材料抵抗沖擊載荷的能力沖擊試驗(yàn)機(jī)硬度試驗(yàn)機(jī)五)材料硬度及測(cè)定表示其它物體對(duì)它表面局部壓入的能力A.布氏硬度瑞典工程師T.A.Brinell于1900年提出普通碳鋼鑄鐵B.洛氏硬度由美國(guó)人Rockwell于1919年提出。用金剛石圓錐體或硬度鋼球做壓頭，根據(jù)試樣的壓痕深度來(lái)表示硬度高低。常見(jiàn)有：

HRAHRBHRC對(duì)于A、C級(jí)：對(duì)于B級(jí)：六)溫度對(duì)材料機(jī)械性能的影響E/MPa

/MPa

t(×102h)F(KN)=28MPa蠕變應(yīng)力松弛無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度高溫持久試驗(yàn)機(jī)七)交變載荷作用下的強(qiáng)度問(wèn)題循環(huán)特征r交變載荷＼交變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)r＝－１非對(duì)稱循環(huán)-1＜r＜1脈動(dòng)循環(huán)r=0強(qiáng)度決定于：

1交變應(yīng)力的最大值

2循環(huán)次數(shù)

3交變應(yīng)力的特征八、應(yīng)力集中的概念應(yīng)力集中：因構(gòu)件外形、承載等突然改變，導(dǎo)致構(gòu)件局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中系數(shù)：kFFF作業(yè)：3-2，3-9，3-11

本章主要內(nèi)容：

截面法求內(nèi)力

拉壓變形的外力、內(nèi)力、應(yīng)力

拉壓變形的強(qiáng)度條件

虎克定律及拉伸和壓縮的變形

材料的機(jī)械性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性習(xí)題3-2N1-1=F=4KNN2-2=F-F=0KNN3-3=F-F+Q=2KN習(xí)題3-2各段應(yīng)力各段變形總變形：習(xí)題3-6NBNANANB=2NANA=75KN[]=240/1.5=160MPa立柱直徑：螺桿B的強(qiáng)度：習(xí)題3-74平面彎曲 4.4平面彎曲梁的變形 4.3平面彎曲梁的應(yīng)力 4.2直梁彎曲的內(nèi)力 4.1平面彎曲的概念及實(shí)例 4.1平面彎曲的概念及實(shí)例F1F2R1R2xyO1O1梁：以彎曲變形（橫向力）為主的桿件縱向?qū)ΨQ面：對(duì)稱軸與軸線組成的平面平面彎曲：梁軸線彎曲成此平面內(nèi)的一條曲線平面彎曲的定義：梁的軸線彎成對(duì)稱平面內(nèi)的一條平面曲線。集中載荷P分布載荷q集中力偶m縱向?qū)ΨQ面軸線PmPPmq平面彎曲的特點(diǎn)

有縱向?qū)ΨQ面;

橫向力作用：作用在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)與桿件軸線相垂直的外力;

軸線在此平面內(nèi)由直線變成曲線.載荷的簡(jiǎn)化：集中載荷、分布載荷、集中力偶外伸梁簡(jiǎn)支梁懸臂梁

根據(jù)梁固定情況可分為：4.2直梁平面彎曲時(shí)的內(nèi)力求出反力：

NA=NB=P/2采用截面法求內(nèi)力：以左段為研究對(duì)象：

Q＝NA＝P/2M=NA.x=P.x/2

以右段為研究對(duì)象：

Q’＝P-NB=P/2M’=NB(L-x)-P(L/2-x)=P.x/2一)橫截面的內(nèi)力——剪力和彎矩剪力和彎矩的符號(hào)規(guī)定取左段作研究對(duì)象：若外力向上，橫截面上產(chǎn)生的Q和M為正。橫截面上設(shè)Q為向下（正），M為逆時(shí)針（正）QM橫截面上產(chǎn)生的剪力Q的數(shù)值為該段上所有外力的代數(shù)和。橫截面上產(chǎn)生的彎矩M的數(shù)值為該段上所有外力對(duì)截面形心之矩的代數(shù)和。二)剪力方程和彎矩方程--剪力圖和彎矩圖剪力和彎矩沿著梁軸線分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式Q(x)、M(x)為剪力方程和彎矩方程。以x為橫坐標(biāo)、Q和M為縱坐標(biāo)作圖即得剪力圖和彎矩圖。

畫(huà)簡(jiǎn)支梁的剪力圖和彎矩圖(Q－M圖)P/2-P/2例4-2求簡(jiǎn)支梁的剪力和彎矩圖1、求反力：AC段(0<x<a)2、求剪力和彎矩方程以左段作研究對(duì)象BC段(a<x<(a+b))3.畫(huà)簡(jiǎn)支梁的剪力圖和彎矩圖(Q－M圖)Pb/(a+b)-Pa/(a+b)Pab/(a+b)例4-3求懸臂梁的剪力圖和彎矩圖剪力方程：

Q(x)=-qx(0<x<L)彎矩方程：

M(x)=-qx2/2(0<x<L)懸臂梁的剪力彎矩圖（Q－M圖)例4-3懸臂梁受集中力作用時(shí)的剪力彎矩圖例4-4：一受均勻載荷作用的簡(jiǎn)支梁(P66)。430ABq=6

103KN/m430800CDRARB430ABq=6

103KN/m430800CDQMRARB4.2.3載荷集度、剪力和彎矩間的關(guān)系疊加法作Q－M圖例4-4P66：截面法求Ｑ圖、Ｍ圖三)剪力、彎矩和載荷集度間的微分關(guān)系剪力圖上任一點(diǎn)的斜率即為梁上相應(yīng)點(diǎn)處的載荷集度q彎矩圖上任一點(diǎn)的斜率即為梁上相應(yīng)橫截面上的剪力QQ、M圖的四點(diǎn)規(guī)律1.梁上某段無(wú)分布力，Q為水平線，M為斜直線2.有向下的分布力，Q圖遞減(↘)，M為上凸(⌒)有向上的分布力，Q圖遞增(↗)，M為下凹(

)如分布力均勻，Q為斜直線，M為二次拋物線3.在集中力作用處，Q圖有突變,突變值為集中力

的值，M圖有折角。

在集中力偶處，彎矩圖有突變，突變值為集中

力的值。4.某截面Q＝0，則彎矩為極值。例4-5：判斷Q、M圖是否有錯(cuò)?xM60kNmP=70kNq=20kN/m1m2mRA=60kNRB=50KNACBQx60kN50kN例：判斷Q、M圖是否有錯(cuò)？Qx60kN50kNxM60kNm10kNP=70kNq=20kN/m1m2mRB=50KNACBRA=60kNa)q=15kN/mM0=10kNmACB4m0.5m1mRA=36.4KNRB=23.6KNb)36.4KN23.6KN144.2KN23.6kNmQMq=15kN/mM0=10kNmACB4m0.5m1mRA=36.4KNRB=23.6KN36.4KN23.6KNQ23.6kNmM例4-6：一外伸梁如圖，畫(huà)其剪力和彎矩圖。RBEP1=2kNq=1kN/m400400CDM0=10kN-mP2=2kN400300按靜力平衡方程求得支反力為：RARARBEP1=2kNq=1kN/m400400CDM0=10kN-mP2=2kN400300按靜力平衡方程求得支反力為：EP1=2kNq=1kN/m4m4mCDM0=10kN-mP2=2kN4m3mRARB2kN7kN3kN1kN-3kN(7-4q=3kN)FF5mQ4.2.3載荷集度、剪力和彎矩間的關(guān)系RBEP1=2kNq=1kN/m4m4mCDM0=10kN-mP2=2kN4m3m6kN-mMD’=16-M0=6kN-mMD=RA

8-q

8

8/2-P1

4=16kN-mMmax=?Where?RAF5mMmax=RA

5-P1

1-q

5

5/2=20.5kN-mM4.2.3載荷集度、剪力和彎矩間的關(guān)系平面純彎曲4.3平面彎曲的正應(yīng)力2)

縱向直線變弧線，ab縮短，a’b’伸長(zhǎng)，o1o2長(zhǎng)短不變，該層纖維稱中z性層。平面純彎曲的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1)彎曲后mn不平行m’n’，但仍與縱向軸線垂直；mm1n1nacdbO2O1

剛性平面假設(shè)（平面截面假設(shè)）：1梁的所有橫截面在變形過(guò)程中要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但仍保持平面，且變形后仍與梁軸線垂直。2梁所有與軸線平行的縱向纖維都是軸向拉伸或壓縮，沒(méi)有相互擠壓。3縱向纖維的變形量與離開(kāi)中性軸的距離有關(guān)，且沿寬度相等。中性層中性軸一)純彎曲時(shí)梁橫截面上的正應(yīng)力2)

物理方程：1)變形幾何方程:3)靜力關(guān)系:正應(yīng)力的計(jì)算1)變形幾何方程:2)物理方程:(((((梁截面上的應(yīng)力分布3）靜力平衡計(jì)算彎曲正應(yīng)力靜力平衡方程：定義：則有：軸慣性矩稱為整個(gè)橫截面對(duì)中性軸的慣性矩yoxyzdAσdAM從而可推得：橫截面上最大的正應(yīng)力定義：截面的抗彎截面模量軸慣性矩IZ：關(guān)于截面幾何尺寸的量，

EIZ

：梁的抗彎剛度。代入物理方程4.4常用截面的慣性矩和抗彎截面模量矩形截面慣性矩抗彎截面模量圓形截面慣性矩抗彎截面模量3圓環(huán)截面4.5彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件若橫截面對(duì)中性軸不對(duì)稱，或材料的抗拉、壓能力不等時(shí)，須分別計(jì)算最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，強(qiáng)度條件為：例3：某梁由工字鋼制成，材料為Q345，[σ]=160MPa,P=20KN,q=10KN/m,M=40KN.m,確定工字鋼的型號(hào)1畫(huà)受力圖2求支座反力x1x2YcYB在AC段：(0<x1<1)

左段作研究對(duì)象3列剪力和彎矩方程：分AC和CB段

在CB段：(0<x2<4)，

右段為研究對(duì)象x1x2在x=2.5m,|M|max=31.25KN.m4、畫(huà)

Q/M圖5

求最大WZ查表P293，應(yīng)選用20a工字鋼，WZ＝237×103mm3例4-7：P73自學(xué)二.(20％)由鑄鐵制成的槽形截面梁，Jz=40×106mm4，y1=140mm，y2=60mm，

[σ]拉＝40Mpa，[σ]壓＝150Mpa，試校核梁的強(qiáng)度。4.6提高梁抗彎強(qiáng)度的主要途徑1選擇合理截面，增加抗彎模量

(提高截面的抗彎模量W=bh2/6)

以比值WZ/A來(lái)衡量截面的合理程度，該值越大，截面越經(jīng)濟(jì)合理。矩形截面：圓形截面：工字形截面：材料性能抗拉和抗壓不同時(shí)，應(yīng)采用不對(duì)稱的中性軸，如鑄鐵：2)合理布置支座和載荷作用位置（減少梁中最大彎矩Mmax)x4.7彎曲變形一)撓度和轉(zhuǎn)角撓曲線：y=f(x)撓度：y(x)轉(zhuǎn)角：

~tg=y’二)剛度條件三)撓曲線微分方程及其積分

撓曲線可用y=f(x)表示，則轉(zhuǎn)角

撓曲線曲率：

數(shù)學(xué)定義曲率：EIy=M(x)dx.dx+Cx+D

綜合兩式，得撓曲線近似微分方程：

積分一次得轉(zhuǎn)角方程：EI=M(x)dx+C

再積分得撓度方程：四)積分法求梁的變形1.列出彎矩方程2.建立撓曲線微分方程

積分一次當(dāng)x=0時(shí)，y=0，因此C=0當(dāng)x=0時(shí)，y’=0，因此D=0

第二次積分:

確定積分常數(shù)：3.確定轉(zhuǎn)角和撓度方程發(fā)生在x=L處

轉(zhuǎn)角方程：

撓度方程：4.確定最大轉(zhuǎn)角和最大撓度五)疊加法求梁的變形+=CCCymax=ypc+yqc例：習(xí)題3-12（b）ABCFD3aa六）梁的剛度條件七)提高梁抗彎剛度的主要途徑1減少垮度，或增加支座；2選用合理截面形狀。本章作業(yè)：４-１（c,f,b）,4-2a\b,4-7，4-8、4-15（2）慣矩Iz和抗彎截面模量Wz矩形圓形（3）彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件第四章的重點(diǎn)與要點(diǎn)（1）掌握Q、M方程的寫(xiě)法，Q、M圖的畫(huà)法,注意內(nèi)力符號(hào)TITANIC的悲劇彎應(yīng)力最大截面習(xí)題4-1(C)剪力和彎矩方程AC段(0<x<L/2)CB段(L/2<x<L)5KN.m4-1(f)1.求支反力NA=12.5KNNC=-12.5KN2.列方程在AC段：(0<x<2a)在BC段：(2a<x<3a)習(xí)題4-7最大應(yīng)力：A點(diǎn)應(yīng)力：

拉應(yīng)力B點(diǎn)應(yīng)力：壓應(yīng)力４-８解：初選工字鋼初選工字鋼２８a，查得：疊加法可知：故可選工字鋼２８a。4-15解：懸臂梁的主動(dòng)載荷為自重q和集中Ｆ查得：自重疊加法可知：撓度為：查得：所以，該梁的強(qiáng)度和剛度足夠。5剪切和扭轉(zhuǎn)5.1剪切構(gòu)件的受力和變形特點(diǎn)5.2剪切和擠壓的近似計(jì)算5.3扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)5.4薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)時(shí)的剪應(yīng)力5.5實(shí)心圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力與變形5.6圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度和剛度條件

5.1剪切構(gòu)件的受力和變形特點(diǎn)

受力特點(diǎn)：合力大小相等、方向相反、作用線距離很小。應(yīng)用實(shí)例：鍵、銷連接，剪鋼板，焊縫變形特點(diǎn)：兩相鄰截面間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。5.2剪切和擠壓的強(qiáng)度計(jì)算一)剪切應(yīng)力的計(jì)算及強(qiáng)度條件橫截面上的內(nèi)力：剪力Q假設(shè)剪力Q在截面上均勻分布，剪應(yīng)力τ=Q/A強(qiáng)度條件：對(duì)塑性材料：[τ]=(0.6～0.8)[σ]對(duì)脆性材料：[τ]=(0.8～1.0)[σ]其中：[τ]=τb/nb假設(shè)擠壓應(yīng)力在截面上均勻分布，強(qiáng)度條件為：其中：二)擠壓應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度條件例1已知M＝720N.m，D＝50mm，選擇平鍵，并校核強(qiáng)度。4)校核擠壓強(qiáng)度：1)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選出平鍵的寬度b=16mm,高度h=10mm,長(zhǎng)度L=45mm，[τ]=110MPa,[σjy]=250MPa2)求外力3)剪切強(qiáng)度校核：5)校核結(jié)果：由于鍵所受的剪應(yīng)力和擠壓應(yīng)力均小于許用值，故所選用的平鍵合適。討論：為什么梁平面彎曲時(shí)可以忽略剪力的影響？通常L/h>5，因此可忽略不計(jì)正應(yīng)力：剪應(yīng)力：應(yīng)力比：5.3扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)受力特點(diǎn)：垂直于桿軸線的兩平面內(nèi)作用有一對(duì)力偶。變形特點(diǎn)：桿的截面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。扭力矩和電機(jī)功率間的關(guān)系：式中：m－KN.mP－Kwn－rpm扭轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)力——扭矩TmmmTn扭矩的正負(fù)號(hào)規(guī)定：右手螺旋法則扭矩圖：例5-3如圖5-9所示，已知軸的轉(zhuǎn)速為n=300rpm主動(dòng)齒輪A輸入功率PA=50kW從動(dòng)齒輪B和C的輸出功率分別為PB=30kWPC=20kW，求軸上截面1-1，2-2處的內(nèi)力。5.4薄壁圓筒的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變(γ)：由于錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)角。相對(duì)扭轉(zhuǎn)角(φ)：兩截面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。變形特點(diǎn)：

薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)變形時(shí)橫截面內(nèi)只有剪應(yīng)力的作用。1.周向線各自繞圓筒軸線轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，轉(zhuǎn)過(guò)角度不同，圓筒大小形狀不變。2.縱向線成螺旋狀，微體變成平行四邊形。一)剪應(yīng)力互等定律剪應(yīng)力互等定律：在單元體相互垂直的兩個(gè)面上，垂直于公共鄰邊剪應(yīng)力數(shù)值相等，而他們的方向或指向鄰邊或背離鄰邊。從而有：力偶平衡條件：二)剪切試驗(yàn)：剪切虎克定律剪切虎克定律：三)薄壁筒扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力和變形

剪應(yīng)變從而有半徑為ρ處的剪應(yīng)變?yōu)椋杭魬?yīng)力5.5實(shí)心圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力與變形剛性平面假設(shè)：變形前為圓形截面，變形后仍保持為同樣大小的圓形平面且半徑仍為直線。半徑為ρ處的剪應(yīng)變?yōu)椋阂?變形幾何方程半徑為ρ處的剪應(yīng)變?yōu)椋憾?物理方程三)靜力平衡關(guān)系定義截面的極慣矩Iρ：稱為抗扭截面模量因此可得到代入：最大剪應(yīng)力：剪應(yīng)力：稱為抗扭剛度a.實(shí)心圓軸四)極慣矩和抗扭截面模量的計(jì)算b.空心圓軸：5.6圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度和剛度條件對(duì)于圓軸：

強(qiáng)度條件：剛度條件:例５－４：Ｐ９７例２已知n=300rpm，NA=400Kw，NB=120Kw，NC=120Kw，ND=160Kw剛性實(shí)心圓軸，[τ]=30MPa，[

]=0.3o/m，G=80MPa，試設(shè)計(jì)軸徑D1求扭矩：

2求內(nèi)力：3根據(jù)強(qiáng)度條件：4根據(jù)剛度條件：d=0.117m

取兩者中的大值，說(shuō)明設(shè)計(jì)中剛度是主要的因素。作業(yè)：

5-2、

5-5、5-8、5-12復(fù)習(xí)：例題/思考題習(xí)題5-2:求圓孔最小直徑

和鋼板的最大厚度

擠壓面剪切面根據(jù)擠壓條件：

jy[jy]根據(jù)剪切條件：

b由此可得：d34mm由此可得：

10.4mm該沖床在最大載荷作用下所能沖剪的圓孔最小直徑為34mm，所能沖剪鋼板的最大厚度為10.4mm習(xí)題5-5已知：b=80,l=20,=12,F=10KNABBBFFl

A剪切面擠壓面B剪切面bFBA擠壓面B剪切面A剪切面5-3(b)解:1.8dh

1.25d習(xí)題5-12：校核軸的強(qiáng)度和剛度剪應(yīng)力：扭轉(zhuǎn)變形：經(jīng)校核：該軸所有截面的剪應(yīng)力均小于許用剪應(yīng)力，以及所有截面的扭轉(zhuǎn)變形均小于許用值，因此該軸的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5.剪切與扭轉(zhuǎn)剪切構(gòu)件的受力和變形特點(diǎn)當(dāng)桿件在兩相鄰的橫截面處有一對(duì)垂直于桿軸，但方向相反的橫向力作用時(shí)，其發(fā)生的變形為該兩截面沿橫向力方向發(fā)生相對(duì)的錯(cuò)動(dòng)，此變形稱為剪切變形。剪切變形特點(diǎn)：兩相鄰截面間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)剪切力特點(diǎn)：合力大小相等、方向相反、作用線距離很小。217剪切計(jì)算及強(qiáng)度條件218

對(duì)塑性材料：[τ]=(0.6～0.8)[σ]對(duì)脆性材料：[τ]=(0.8～1.0)[σ]

擠壓計(jì)算和強(qiáng)度條件219

220剪切面擠壓面P

例題解答1)查機(jī)械零件手冊(cè)，選出平鍵的寬度b=16mm,高度h=10mm,長(zhǎng)度L=45mm，[τ]=110MPa，[σjy]=250MPa2212)求外力3)剪切強(qiáng)度校核：4)校核擠壓強(qiáng)度：校核結(jié)果：由于鍵所受的剪應(yīng)力和擠壓應(yīng)力均小于許用值，故所選用的平鍵合適。例題沖床的最大沖力F=400kN，沖頭材料的許用應(yīng)力[

jy]=440MPa，被剪切鋼板的剪切強(qiáng)度極限b=360MPa,

求圓孔最小直徑和鋼板的最大厚度。222擠壓面剪切面

根據(jù)擠壓條件：

jy[jy]根據(jù)剪切條件：

b由此可得：d34mm由此可得：

10.4mm該沖床在最大載荷作用下所能沖剪的圓孔最小直徑為34mm，所能沖剪鋼板的最大厚度為10.4mm解答223例題：求截面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力之比224解答225剪應(yīng)力：應(yīng)力比：

正應(yīng)力：扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)226受力特點(diǎn)：在垂直于桿的軸線作用有一對(duì)力偶。受力變形：桿的截面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。扭矩的正負(fù)號(hào)規(guī)定227用右手螺旋法則將扭矩表示為矢量。如扭矩矢量方向離開(kāi)截面，扭矩為正；如扭矩矢量的方向指向截面，則扭矩為負(fù)。扭力矩和電機(jī)功率間的關(guān)系228

功率單位為千瓦時(shí)：即：

FF2r汽車的驅(qū)動(dòng)力8代civic1.8的引擎在4300轉(zhuǎn)/分時(shí)的輸出功率約為78KW，相應(yīng)的扭矩為229若輪胎半徑為0.3m，則驅(qū)動(dòng)力為扭矩圖230如圖5-9所示，已知軸的轉(zhuǎn)速為n=300rpm，主動(dòng)齒輪A輸入功率PA=50kW，從動(dòng)齒輪B和C的輸出功率分別為PB=30kW，PC=20kW，求軸上截面1-1，2-2處的內(nèi)力。

薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)231變形特點(diǎn)1.周向線各自繞圓筒軸線轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，轉(zhuǎn)過(guò)角度不同，圓筒大小形狀不變。2.縱向線成螺旋狀，微體變成平行四邊形3.剪應(yīng)變(γ)：由于錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的縱向線轉(zhuǎn)動(dòng)角。4.扭角(φ)：兩截面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。232薄壁筒扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力和變形233因?yàn)樗约魬?yīng)變?yōu)榧魬?yīng)力互等定律234從而有：由力偶平衡條件得：剪應(yīng)力互等定律：在單元體相互垂直的兩個(gè)面上，垂直于公共鄰邊剪應(yīng)力數(shù)值相等，而他們的方向或指向鄰邊或背離鄰邊。剪切試驗(yàn)235剪切虎克定律：彈性模量、剪切模量、泊松比之間的關(guān)系：實(shí)心圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力與變形236剛性平面假設(shè)：變形前為圓形截面，變形后仍保持為同樣大小的圓形平面且半徑仍為直線。圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力2371.變形幾何方程2.物理方程圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力2383.靜力平衡關(guān)系由扭矩公式得：定義：

則：圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力239單位扭轉(zhuǎn)角積分后得扭轉(zhuǎn)角

剪應(yīng)力為最大剪應(yīng)力式中稱為抗扭截面模量極慣矩和抗扭截面模量的計(jì)算240實(shí)心圓軸空心圓軸實(shí)心圓軸的抗彎矩分布241實(shí)心圓軸中心所承受的載荷遠(yuǎn)小于外圈承受的載荷。圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度和剛度條件242強(qiáng)度條件：其中塑性材料脆性材料圓軸尺寸設(shè)計(jì)公式圓軸剛度條件243或

圓軸扭轉(zhuǎn)破壞模式的分析244扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力情況隨截面方向不同而不同?？辜羟械哪芰Ρ瓤估斓哪芰π?，就會(huì)在最大切應(yīng)力的截面破壞，例如低碳鋼。如果材料抗拉伸能力比抗剪切能力小，就會(huì)在最大拉應(yīng)力的截面破壞，例如灰鑄鐵。塑性材料往往呈現(xiàn)抗剪切能力比抗拉伸能力弱，脆性材料往往呈現(xiàn)抗拉伸能力比抗剪切能力弱。例題245階梯軸d1=40mm,d2=70mm,輪3的輸入功率30kW，輪1的輸出功率為13kW，軸轉(zhuǎn)速為200rpm，軸材料的[]=60MPa，G=8104MPa，許用扭轉(zhuǎn)角[0]=2o/m，試校核軸的強(qiáng)度和剛度。246

247剪應(yīng)力：扭轉(zhuǎn)變形：經(jīng)校核：該軸所有截面的剪應(yīng)力均小于許用剪應(yīng)力，以及所有截面的扭轉(zhuǎn)變形均小于許用值，因此該軸的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

作業(yè)：

5-6,5-9248249純剪切下的應(yīng)變能應(yīng)力條件轉(zhuǎn)換為正應(yīng)力后應(yīng)變能為（1）（2）由公式(1)(2)得剪切失效250旋轉(zhuǎn)閥閥體在使用過(guò)程中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，斷面與軸向呈45°角鋼筋混凝土板的截面形式2516.1壓桿失穩(wěn)的概念

6.2臨界壓力的確定

6.3歐拉公式的適用范圍

6.4壓桿穩(wěn)定性條件

6.5提高壓桿穩(wěn)定性措施6壓桿的失穩(wěn)性壓桿失穩(wěn)的概念FTF=Fcr臨界載荷6.１壓桿失穩(wěn)的概念壓桿的臨界載荷Ｆcr：壓桿保持直線穩(wěn)定平衡時(shí)所能承受的最大軸向壓力。當(dāng)軸向壓力達(dá)到Ｆcr時(shí)，壓桿隨時(shí)有失穩(wěn)的可能，一旦失穩(wěn)變彎，將不可能恢復(fù)。穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原有形狀的能力。失穩(wěn)：構(gòu)件失去原有形狀的平衡。失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生決定于構(gòu)件及其作用載荷。6.2臨界壓力的確定1與壓桿長(zhǎng)度有關(guān)

Fcr1/l22與彈性模量有關(guān)

FcrE

3與橫截面幾何形狀有關(guān)

FcrI(最小軸慣性矩)4與支承有關(guān)

Fcr

１／μ２

(長(zhǎng)度系數(shù)μ)歐拉公式1與壓桿長(zhǎng)度有關(guān)

Fcr1/l22與彈性模量有關(guān)

FcrE

3與橫截面有關(guān)

FcrI4與支承情況有關(guān)

Fcr1/μ

2例1已知：壓桿為Q235鋼，=1,求Fcr301000FF4yx解:由穩(wěn)定性條件得由強(qiáng)度條件:因此,Fcr=315.5N6.３歐拉公式的適用范圍定義：截面慣性半徑

壓桿柔度

簡(jiǎn)化后的歐拉公式：臨界應(yīng)力代入:歐拉公式是在假定材料服從虎克定律：因此歐拉公式的適用范圍為：細(xì)長(zhǎng)桿(大柔度桿)：

p,是彈性范圍內(nèi)的失穩(wěn)引起破壞,由歐拉公式計(jì)算不同材料有不同的

p

：Ｑ２３５，

p≈１００當(dāng)壓桿λ<λs,其應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，壓桿也不失穩(wěn)，破壞決定于強(qiáng)度，此時(shí)：對(duì)應(yīng)的柔度為λs不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，而是強(qiáng)度問(wèn)題。將λ<λs的壓桿稱為小柔度桿（粗短桿）中長(zhǎng)桿：(中柔度桿)sp的壓桿,主要由超過(guò)彈性范圍的失穩(wěn)引起破壞直線公式：計(jì)算中長(zhǎng)桿的臨界應(yīng)力（a,b：是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，見(jiàn)表6-2）由

cr=s,可導(dǎo)出柔度適用的下限s：對(duì)于Q235鋼，

p=100，

s=61.46.4壓桿穩(wěn)定性條件ncr的取值：鋼

ncr=1.8～3.0

鑄鐵ncr=5～5.5

木材ncr=2.8～3.2穩(wěn)定條件：用應(yīng)力表示：Φ：折減系數(shù)用安全系數(shù)表示：例２：材料為Q235，[

]=160MPa，A、B、C為鉸鏈，桿件的直徑為80mm，確定桿系的許可載荷。解：慣性半徑：兩端鉸支：＝1故各桿的柔度：FNABNCB由靜力平衡條件求得：NAB=-Fsin30°,NBC=-Fcos30°AB及BC桿的臨界載荷為：取安全系數(shù)ncr=3,則桿系的許可載荷：故桿件的許可載荷為221KN代入歐拉公式：AB及BC桿的許可載荷為：桿系的許可載荷：故桿件的許可載荷為377.78KN查表6-36.5提高壓桿穩(wěn)定性的措施1選用E大的材料2

選擇合理的截面形狀3改變壓桿的約束條件例６-２本章作業(yè)：

6-4，6-6習(xí)題6-4:

1校核螺桿的穩(wěn)定性;

2穩(wěn)定性不夠時(shí)的解決辦法一端固定，一端自由，＝2解：經(jīng)校核，該千斤頂螺桿的穩(wěn)定性不夠。1兩端固定；2減少長(zhǎng)度；3用高強(qiáng)鋼；4增加直徑。穩(wěn)定性不足解決辦法：7過(guò)程設(shè)備常用材料7.1過(guò)程設(shè)備用材的基本要求7.2過(guò)程設(shè)備常用材料7.3鋼的熱處理7.4金屬材料的腐蝕與防腐7.5過(guò)程設(shè)備金屬材料的選擇概述過(guò)程設(shè)備是過(guò)程工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障：材料是任何設(shè)備功能完成的物質(zhì)載體—設(shè)備材料的重要性1915年，合成尿素新工藝進(jìn)入中試階段，但無(wú)法克服熔融尿素對(duì)鋼材的腐蝕。1953年，才實(shí)現(xiàn)了尿素的規(guī)?；a(chǎn)，前提是荷蘭科學(xué)家提高了鉻鎳不銹鋼對(duì)熔融尿素的腐蝕。過(guò)程工業(yè)的復(fù)雜性，材料選用具有的特點(diǎn)：復(fù)雜性、多樣性、高要求

神州六號(hào)返回艙的隔熱材料保證了從2000oC到40oC：飛船返回艙的降溫主要通過(guò)三種方法：一是吸熱式防熱，在返回艙的某些部位，采用導(dǎo)熱性能好、熔點(diǎn)高和熱容量大的金屬吸熱材料來(lái)吸收大量的氣動(dòng)熱量；二是輻射式防熱，用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等復(fù)合材料，將熱量輻射散發(fā)出去；三是燒蝕防熱，利用高分子材料在高溫加熱時(shí)表面部分材料融化、蒸發(fā)、升華或分解汽化帶走大量熱量的方法散熱。過(guò)程設(shè)備材料的分類金屬材料非金屬材料黑色金屬及其合金有色金屬及其合金無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)非金屬材料材料中應(yīng)用最多的是什么類型？為什么？選材原則：安全、適用、經(jīng)濟(jì)1.材質(zhì)性能適用可靠，保證一定使用壽命；選材的基本要求：2.材料品種應(yīng)符合國(guó)家資源和供應(yīng)情況；3.經(jīng)濟(jì)上合算。

7.1過(guò)程設(shè)備用材的基本要求過(guò)程設(shè)備用材的性能要求

力學(xué)性能1.強(qiáng)度

*

材料在高溫和低溫下的強(qiáng)度是確定材料許用應(yīng)力的依據(jù)，

S，b是材料抵抗塑性變形和破壞的能力屈強(qiáng)比高的鋼材，塑性儲(chǔ)備降低，缺口敏感性增加。碳鋼力學(xué)性能隨溫度的變化2.塑性：材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前塑性變形的能力，反應(yīng)材料可塑性的指標(biāo)。

=10~20%3.韌性：指材料在塑性變形直至斷裂的全過(guò)程中吸收的能量，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)能力。一般用沖擊韌性來(lái)評(píng)定。AK（J/cm2）4.硬度：指材料抵抗外物壓入的能力，有HB，HR。#

剛度：保證材料不產(chǎn)生過(guò)量彈性變形。彈性模量E、G；μ

化學(xué)性能耐腐蝕性：抵抗腐蝕性介質(zhì)侵蝕的能力。腐蝕：由于環(huán)境作用引起的破壞或變質(zhì)。分化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

抗氧化性：抵抗介質(zhì)中的自由氧、硫及其它雜質(zhì)對(duì)鋼的氧化腐蝕作用。

加工工藝性1.可焊性：少的焊接缺陷2.可鍛性：不發(fā)生熱脆3.可塑性：優(yōu)良的塑性加工性能4.機(jī)械加工性能：保證良好的切削性5.可鑄性好：鑄造中收縮和偏析小

材料的物理性能導(dǎo)熱系數(shù)：設(shè)備要求傳熱線膨脹系數(shù)：防止熱應(yīng)力密度：決定設(shè)備的重量熔點(diǎn)和導(dǎo)電性：一)碳鋼碳鋼：碳含量在0.02～2％之間的鐵碳合金;鑄鐵：碳含量大于2％的鐵合金。1、碳及常存雜質(zhì)對(duì)鋼材性能的影響磷(P)硫(S)錳(Mn)硅(Si)碳(C)★鋼材獲得廣泛應(yīng)用,為什么？7.2過(guò)程設(shè)備常用材料碳含量對(duì)材料機(jī)械性能影響2碳鋼分類按含碳量分：低碳鋼中碳鋼高碳鋼按質(zhì)量等級(jí)分：普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：GB700-88Q235－A·F－GB700-88國(guó)標(biāo)號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)，共分A、B、C、D四級(jí)材料屈服限的保證值，(厚度小于16mm)F：沸騰鋼，Z：鎮(zhèn)靜鋼，b:半鎮(zhèn)靜鋼

除保證機(jī)械性能和化學(xué)成分外，還對(duì)磷、硫及非金屬夾雜物控制較嚴(yán):C%、P%<0.04%。它的牌號(hào)以含碳量的萬(wàn)分之?dāng)?shù)而定。優(yōu)質(zhì)低碳鋼：<0.25%，強(qiáng)度低，塑性好，冷沖壓和焊接性能好，在石油化工設(shè)備中廣泛應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)中碳鋼：0.25~0.60%：強(qiáng)度硬度高，塑性韌性差；多用于傳動(dòng)設(shè)備及高壓設(shè)備頭蓋零件。優(yōu)質(zhì)高碳鋼：>0.6%；強(qiáng)度硬度均較高，塑性差，常用于制造彈簧，刀具及耐磨零件。分類優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

鍋爐和壓力容器用鋼有特殊性，經(jīng)常采用專門(mén)用途的鍋爐用鋼和容器用鋼。在鋼號(hào)后分別以“

g”和“

R”來(lái)表示。如20g，20R，16MnR

屈服限

強(qiáng)度限鑄鋼：ZG200－400二)合金鋼壓力容器用低合金鋼：合金元素總含量小于5%主要牌號(hào)：16MnR，15MnVR，18MnMoNbR35CrMoA1、合金結(jié)構(gòu)鋼數(shù)字元素名稱數(shù)字合金元素含量合金元素符號(hào)平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)A如9SiCr（冷沖模具用鋼）數(shù)字元素名稱數(shù)字合金元素含量合金元素符號(hào)平均含碳量的千分?jǐn)?shù)當(dāng)含碳量大于1％則不表示W(wǎng)18Cr4V(高速鋼，如齒輪銑刀用鋼)2、合金工具鋼不銹鋼

鉻不銹鋼：1Cr13、0Cr13、9Cr18；鉻鎳不銹鋼(18-8)：0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；節(jié)鎳不銹鋼：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N分類00：C%0.03%；0：C%0.08%；1：0.08%C%0.12%3、特殊鋼

耐大氣腐蝕鋼和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕鋼的總稱。Cr對(duì)材料電極電位的影響鉻鎳不銹鋼：典型鋼號(hào)(18-8)

0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；

鉻不銹鋼：1Cr13、0Cr13、9Cr18；調(diào)質(zhì)處理后有較強(qiáng)的強(qiáng)度和韌性；弱腐蝕介質(zhì)，溫度低于30

Ｃ，有良好的耐蝕性；在硫酸、鹽酸、熔融堿液中耐蝕性差；一般固溶處理；較高的強(qiáng)度，極好的塑性和韌性，焊接性能好；比鉻不銹鋼更好的耐蝕性；還原性介質(zhì)、clˉ不耐蝕；容易發(fā)生晶間腐蝕。晶間腐蝕★

發(fā)生晶間腐蝕的原因是什么？★防止發(fā)生晶間腐蝕的方法：1固溶處理；2減少鋼中含碳量；3加入強(qiáng)親碳元素：Ti、Nb2）高溫用鋼抗氧化鋼：1Cr13Si3，1Cr23Ni13熱強(qiáng)鋼：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0Cr19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等

分為：和抗氧化鋼3）低溫用鋼以高鉻鎳鋼為主熱強(qiáng)鋼低碳鋼在538℃下的蠕變量與時(shí)間T的關(guān)系三）鑄鐵灰口鑄鐵：碳以自由態(tài)片狀石墨存在，抗拉強(qiáng)度低，擠壓強(qiáng)度高，用于制造耐壓件。

HT100可鍛鑄鐵：石墨成團(tuán)絮狀,具有一定強(qiáng)度和塑性，用于有振動(dòng)和沖擊的場(chǎng)合

KTH300－06

球墨鑄鐵：石墨成球狀,強(qiáng)度、塑性、韌性好可替代鑄鋼

QT500－5

球化效果差，石墨形態(tài)為片狀和蠕蟲(chóng)狀球墨鑄鐵的金相組織（１）石墨形態(tài)：球狀石墨、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲(chóng)狀、片狀石墨大小：1~7級(jí)球墨鑄鐵的金相組織（２）球墨鑄鐵的金相組織（3）球墨鑄鐵基體組織：鐵素體+珠光體，珠光體含量≈65%球墨鑄鐵的金相組織（4）珠光體的片間距（粗細(xì)）球墨鑄鐵的金相組織（5）

球墨鑄鐵中的滲碳體形態(tài)四）有色金屬及合金紫銅：T1，T2，T3黃銅：H80，H68，H62鋁：L1,L2,………L6硬鋁：AI-Cu-Mg的合金,LY1L-1L-2防銹鋁：AI-Mg的合金，LF21鑄鋁：AI-Si的合金，ZL107作耐磨件：蒙乃爾合金作腐蝕件：Inconel合金和海氏合金銅及銅合金鋁及鋁合金鎳及鎳合金鉛及鉛合金：鉛銻合金，PbSb4,五）非金屬材料化工陶瓷：化學(xué)穩(wěn)定性好玻璃：表面光潔、耐腐蝕（搪玻璃設(shè)備〕水泥：價(jià)廉天然耐酸材料：花崗石、石墨、石棉等耐酸酚醛塑料聚氯乙烯塑料聚乙烯聚四氟乙烯玻璃鋼無(wú)機(jī)材料有機(jī)材料

將鋼材通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜岷屠鋮s過(guò)程，使鋼材的內(nèi)部組織按一定的規(guī)律變化，以獲得預(yù)期的機(jī)械性能，稱為鋼的熱處理。7.3鋼的熱處理晶格晶胞體心立方面心立方一、金屬的結(jié)晶組織金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬結(jié)晶過(guò)程晶核液態(tài)

－Fe鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

－Fe910°C碳在鐵中形成固溶體(F、A、M)鋼的冷卻曲線化合物：滲碳體Fe3C混合物：珠光體P室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本組成物的機(jī)械性能名稱符號(hào)結(jié)合類型σb,MPaHBδAk,J鐵素體F(或α)固溶體2308050160滲碳體Fe3C化合物30800~0~0珠光體P機(jī)械混合物75018020~2524~32鐵碳合金狀態(tài)圖PAF+PP+Fe3C★

鋼為什么可以進(jìn)行熱處理？

鋼的熱處理是將鋼材通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜?、保溫和冷卻過(guò)程，使鋼材的內(nèi)部組織按一定的規(guī)律變化，以獲得預(yù)期的機(jī)械性能?！?/p>

什么是鋼的熱處理？★

什么是鋼的同素異構(gòu)現(xiàn)象？★

常用的熱處理方法及應(yīng)用有哪些？熱處理車間普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱感應(yīng)加熱滲碳氮化碳氮共滲及其它二、常用熱處理方法方法：把鋼材加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻的過(guò)程。目的：強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性提高；消除組織缺陷、消除內(nèi)應(yīng)力。

應(yīng)用：消除鑄件、焊件、鍛件、熱軋件、冷拉件等的內(nèi)應(yīng)力，冷作硬化退火(annealing)高速鋼的退火曲線方法：把鋼件加熱到GS或ES線以上30~50

C，經(jīng)適當(dāng)保溫后，從爐中取出在空氣中冷卻。目的：細(xì)化P晶粒、減少鋼件內(nèi)應(yīng)力、均勻組織。可作為最終熱處理。應(yīng)用：廣。如鍛造的法蘭與換熱器的管板的最終熱處理。正火(normalising)方法：把鋼材加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，快速冷卻的過(guò)程。目的：得到馬氏體組織、提高表面硬度、提高強(qiáng)度和耐磨性。硬而脆。淬火(harding)40Cr鋼的淬火曲線方法：將淬火后的鋼件重新加熱到PSK線以下的某一溫度，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫后，在油中或空氣中冷卻。調(diào)質(zhì)處理：淬火后高溫回火的熱處理。提高綜合機(jī)械性能。用于重載零件。目的：降低或消除鋼件的內(nèi)應(yīng)力，并可通過(guò)控制回火溫度，獲得不同的機(jī)械性能?；鼗?tempering)表面淬火方法：將鋼件放在一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面，改變表面化學(xué)成分以獲得預(yù)期的組織和性能的一種熱處理過(guò)程?；瘜W(xué)熱處理根據(jù)滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮等。材料及熱處理的應(yīng)用分析電廠中的汽輪機(jī)

汽輪機(jī)是一臺(tái)在高溫（540

600℃）、高壓（16

25MPa）蒸汽作用下高速旋轉(zhuǎn)（3000r/min）、長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)器。由于工作條件苛刻，因此對(duì)其零部件所采用的材料要求很高。

一些主要部件要求高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕，不同的部件還有一些不同的特殊性能要求。焊接結(jié)構(gòu)的低壓外缸高中壓內(nèi)缸（鑄鋼件）電廠檢修中的汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)葉片摩擦壓力機(jī)模鍛葉片葉片自由鍛出坯自由鍛出坯的毛坯葉片★

葉片的材料有哪些要求？

在工作條件下必須承受較大的離心力和彎應(yīng)力：材料必須具有的基本的強(qiáng)度和韌性，還須具有耐蝕性、抗氧化性、足夠的疲勞強(qiáng)度，良好的剛度、減振性能等等；

高壓級(jí)的動(dòng)葉片工作于高溫蒸汽介質(zhì)中，還應(yīng)考慮蠕變強(qiáng)度、持久極限等高溫性能；

低壓級(jí)動(dòng)葉片尤其是末級(jí)葉片，由于工作在濕蒸汽區(qū)，葉片更長(zhǎng)，離心力更大，故需考慮材料具有更高的強(qiáng)度，抗水滴沖蝕和應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題。汽輪機(jī)葉片材料主要為不銹鋼：1Cr13、2Cr13、1Cr12Mo、2Cr12MoV、2Cr12NiMo1W1V、2Cr11NiMoNbVN、0Cr17Ni4Cu4Nb等★汽輪機(jī)葉片選什么材料？葉片材料的熱加工:鋼中0.1~1%的碳，具有較高的強(qiáng)度；2~17%的鉻，具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性；鉬、釩、鈮、鋁、銅等元素的添加，提高鋼的回火抗力或產(chǎn)生沉淀硬化作用，使鋼在高溫下仍保持足夠的強(qiáng)度。

調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用低壓外缸裝焊低壓外缸裝焊

低壓缸由于體積較大，承受的溫度、壓力均比較低，因此一般采用低碳結(jié)構(gòu)鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A）鋼板焊接結(jié)構(gòu)?！锏蛪浩椎牟牧嫌心男┮?？如何選材？

鋼板下料——成形——拼裝——焊接——除應(yīng)力熱處理——噴丸清理——探傷檢驗(yàn)。★低壓外缸怎樣熱加工？

參考書(shū)◆腐蝕工程M.G.方坦納,N.D.格林著左景伊譯◆腐蝕電化學(xué)原理曹楚南編著◆金屬腐蝕學(xué)朱日彰等編寫(xiě)◆金屬腐蝕理論及應(yīng)用魏寶明主編

7.4金屬材料的腐蝕與防腐國(guó)內(nèi)主要專業(yè)雜志中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)腐蝕與防護(hù)腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)四川化工與腐蝕控制全面腐蝕控制表面技術(shù)材料保護(hù)

國(guó)外主要專業(yè)雜志◆Corrosion◆MaterialPerformanceNationalAssociationofCorrosionEngineersNACE（美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)）◆CorrosionScience◆BritishCorrosionJournal★什么是腐蝕和金屬材料的腐蝕？定義：金屬材料和周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)的作用而變質(zhì)和破壞。工程材料和周圍環(huán)境發(fā)生相互作用而變質(zhì)和破壞。三個(gè)基本要素腐蝕的對(duì)象腐蝕的性質(zhì)腐蝕的后果舉例◆1975年美國(guó)芝加哥一個(gè)大的煉油廠一根15cm的不銹鋼彎管腐蝕破裂引起爆炸和火災(zāi)，停車6周，這次腐蝕事故總維修費(fèi)50萬(wàn)美元，停車造成的稅收損失高達(dá)500萬(wàn)美元。美國(guó)：1949年55億美元

1960～1969年150～200億美元

1975年700億美元

1982年1269億美元

1995年8000億美元英國(guó)：1969年13.65億英鎊（27.3億美元）腐蝕的危害3.造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失5.造成金屬資源和能源的浪費(fèi)4.造成設(shè)備的破壞事故2.阻礙新技術(shù)的發(fā)展1.危及人身安全經(jīng)濟(jì)損失包括直接損失和間接損失◆直接損失：指采用防護(hù)技術(shù)的費(fèi)用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費(fèi)用和勞務(wù)費(fèi)用?！糸g接損失：指設(shè)備發(fā)生腐蝕破壞造成停工、停產(chǎn)；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蝕使產(chǎn)品污染，質(zhì)量下降，設(shè)備效率降低，能耗增加；在計(jì)算壁厚時(shí)需增加腐蝕裕度，造成鋼材浪費(fèi)等?！裟臀g性指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕的能力◆腐蝕性指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強(qiáng)弱程度◆腐蝕過(guò)程的本質(zhì)金屬→金屬化合物△G﹤0自發(fā)過(guò)程不可逆過(guò)程★研究和控制腐蝕具有重要意義腐蝕的分類

按環(huán)境分類：大氣腐蝕土壤腐蝕海水腐蝕高溫氣體腐蝕化工介質(zhì)腐蝕

按破壞形態(tài)分類：全面腐蝕局部腐蝕

按相互作用的性質(zhì)：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕★腐蝕的常見(jiàn)形式★腐蝕速度的表示方法失重腐蝕速度V-

單位：g∕m2.hV-與Vp之間的換算年腐蝕深度Vp

單位：mm/y

定義：金屬在干燥的氣體和非電解質(zhì)溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的腐蝕破壞叫化學(xué)腐蝕。腐蝕過(guò)程無(wú)電流產(chǎn)生，腐蝕產(chǎn)物存在于金屬表面。例如：金屬的高溫氧化及脫碳，氫腐蝕★化學(xué)腐蝕★鋼在高溫中的氧化570C以下Fe3O4Fe2O3570C以上Fe2O3Fe3O4FeO金屬及其合金與電解質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕。Zn在稀硫酸中溶解示意圖★電化學(xué)腐蝕宏觀異種金屬接觸形成電偶電池金屬處于不同濃度的介質(zhì)中形成濃差電池金屬處于溫度不同的介質(zhì)中形成溫差電池微觀化學(xué)性質(zhì)不均勻微觀組織不均勻物理狀態(tài)不均勻表面膜不完整★腐蝕原電池的類型

金屬在電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕破壞。腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生。1.同一金屬上有不同電位的部分存在或是存在電位差的不同金屬或合金；2.陰極和陽(yáng)極互相連接，并處于互相連通的電解質(zhì)溶液中。電化學(xué)腐蝕的條件：★電化學(xué)腐蝕3.溫度和壓力的影響4.應(yīng)力對(duì)腐蝕的影響2.腐蝕介質(zhì)酸堿性的影響1.合金元素的影響★影響腐蝕的因素★金屬設(shè)備的防腐蝕措施3.添加緩蝕劑4.合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.電化學(xué)保護(hù)1.涂復(fù)保護(hù)層結(jié)構(gòu)部位不合理結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)原因高溫氣體入口管管口易局部過(guò)熱儲(chǔ)槽器壁與底部的聯(lián)結(jié)容易積料不同厚度的換熱器殼體與管板的聯(lián)結(jié)焊縫易產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)力集中容器出口管容易積液容器進(jìn)口管料液沿器壁流動(dòng)

選材原則：

選材方法：1.滿足使用要求：工作溫度、壓力、介質(zhì)及周圍環(huán)境對(duì)材料的要求2.經(jīng)濟(jì)性要求：材料費(fèi)用與設(shè)備加工費(fèi)用的總額為最小查手冊(cè)和資料，現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)，實(shí)驗(yàn)7.5過(guò)程設(shè)備材料的選擇1、壓力容器用材符合的標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》；GB6654-1996《壓力容器用鋼板》；GB4726-1994《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》2、壓力容器用鋼一般用鎮(zhèn)靜鋼3、以強(qiáng)度為主的中壓、高壓容器一般低合金鋼4、以剛度設(shè)計(jì)為主的壓力容器，不宜采用強(qiáng)度過(guò)高的材料。思考題鋼材為什么獲得廣泛應(yīng)用？以鐵的冷卻曲線說(shuō)明什么叫同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變？碳鋼在常溫平衡狀態(tài)下的基本組