机械设计基础知识概述(全).docx

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1、机械设计基础知识概述机械设计基础知识概述第一章 金属材料的有关问题（一） 金属材料的机械性能金属零件受一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。1、金属材料的变形和应力金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变）。当金属材料受外力作用时，其内部还将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外

2、力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号表示。=P/F式中： 应力，MPa;P 拉伸外力，N；F 试样的横截面积，mm2。2、强度强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（B）直到断裂如图（C）。以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值L为横坐标，给制出拉伸曲线。OE段：负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力称为弹性极限，用e表示。e=Pe/Fo式中： e 弹性极限，MPa；Pe 材料开始塑

3、性变形时的负荷，N；Fo 试样原横截面积，2 。当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。产生现象时的应力称为屈服点，用s表示。s=Ps/Fo式中： s 屈服点，Mpa ；Ps 材料产生明显形变时的负荷，N；Fo 试样原横截面积，2 。负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断前能承受的最大负荷 Pb所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。b= Pb/Fo式中： b 抗拉强度，Mpa ； Pb

4、试样拉断前的最大拉力，N；Fo 原横截面积，2 。屈服强度（s），抗拉强度（b）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比s/b）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。3、塑性 塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。（1） 伸长率：试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用表示。=（L1L0）/L0100%式中： 试样的伸长率，%；L1 试样拉断后标距长度，；L0 试样原标距长度，.(2) 断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原截面积的百分比，用表示。式中 试样的断面收缩率，%；F0 试样原横截面积，2 。F1 试

5、样拉断后缩颈处的最小横截面积，2 。、的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。4、硬度硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。(1) 布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW）表示。HBS（HBW）=式中：HBS（HBW） 布氏硬度

6、值，kgf2 ; P 加在淬火钢球上的负荷，kgf； D 淬火钢球直径，。压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料，如铸铁和有色金属。压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。（2）洛氏硬度：用压头压入的压痕深度表示材料的硬度值。压痕越深表示材料越软，硬度值越低。两种硬度可以利用特制的表格进行换算。 硬度表示金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，所以硬度与强度间有一定的换算关系。5、冲击韧性冲击韧性是金属材料抗击冲击负荷的能力。现在普通采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧性。实验表明，材料受小能量多次重复冲击的能力，主要取决于材料强度。强度越高，寿命越长

7、，设计中可不必过分追求高冲击值。6、疲劳强度实际中许多工件所承受负荷的方向和大小是周期变化的。这种周期变化的负荷称为交变负荷。金属工件在交变负荷作用下，经长时间工作而发生断裂的现象称为金属疲劳。在交变负荷作用下金属工件所受应力大小和断裂前应力交变循环的次数有关。应力越大，则断裂前能随承受的循环次数越低。当钢铁材料的循环次数达到107，有色金属的循环次数达到108 时，若试样仍不发生疲劳破坏，其最大应力称为该材料的疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用-1表示。生产中多数金属工件是在交变负荷下工作的，疲劳破坏是破裂的主要形式。因此疲劳强度设计是材料的重要强度计算之一。另外，改善零件结构形状避

8、免应力集中；降低表面粗糙度；采取表面强化处理等都能有效提高金属工件的抗疲劳能力。（二）金属材料的其他性能1、金属材料的物理性能包括比重、溶点、导电性、导热性和膨胀性等。工件用途不同，对金属材料的物理性能要求不一样2、金属材料的化学性能主要指金属材料在定温或高温条件下抵抗活泼介质对其浸蚀的能力。3、金属材料的工艺性能是金属材料物理和化学性能的综合，是否易于加工成型的能力。按工艺方法不同，工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性和切削加工性能。在设计零件及选择加工方法时要考虑材料的工艺性能。（三）铁碳合金的基本组织及性能普通碳钢和铸铁均属钢碳合金范畴，合金钢和合金铸铁是有意加入合金元素的铁碳合金。

9、铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。目前应用的铁碳合金，其含碳量均在6.69%以下，当含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有实用意义。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为生铁。一切固态物质，根据其内部原子的聚集状态可分为晶体与非晶体两大类。晶体内部的原子在空间作规则的排列，如食盐、金刚石、石墨和所有的金属都是晶体。非晶体内部的原子则杂乱无章地无规则的规程，如玻璃、沥青、石腊和松香等都是非晶体。大多数金属在固态下的晶格保持不变，但是有些金属，如铁、锌、锑、锰、钼等在固态下，随着温度的变化，其晶体结构还会发生转变，这种晶体形式的转变称为同素异构转变。同素异

10、构转变过程也是重结晶过程。如纯铁的溶点为1534和912时先后发生两次晶格形式的转变；在15381394时为体心立方晶格，称为铁，1394912为面心立方晶格，称铁，在912以下为体心立方晶格，称为铁。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。各种金属材料具有不同的性能，这是由于其内部组织结构决定的。在液态时，铁和碳可以溶解为一个均匀的液相。在固态时，它可以形成固溶体、化合物或混合物。固溶体是合金中一种组元（溶剂）溶解其他组元（溶质），或组元之间互相溶解而形成的一种均匀固相，形成单一的均匀物质，其中所溶解的组元在显微镜下也区别不出来。金属化合物，是两组元相互作用而形成的一种新的具有金属特

11、性的物质。其晶体结构与性能和两组元都不同，如铁碳合金中铁和碳组成的碳化物称为渗碳体，化学式为Fe3C。混合物是纯金属，固溶体或化合物按一定重量比例组成的均匀物质。混合物中多部分仍按自己原来的晶格形式结合而成晶体，显微镜下可区别出多组元的晶体。绝大多数工业用合金都是混合物，其性能取决于这些混合物多部分的性能及它们的形态、大小和分布。铁碳合金的基本组织：（1） 铁素体：碳溶于-Fe中的固溶体称为铁素体，符号为Fe。铁素体含碳量非常低，在727时为0.0008%，其机械性能与纯铁相似，强度和硬度不高，塑性和韧性好。（2） 奥氏体：碳溶于-Fe中的固溶体称为奥氏体，符号为A。稳定的奥氏体存在温度为72

12、7，此时碳的溶解度为0.77%，奥氏体的强度，硬度和塑性都很好，是大多数钢进行高温锻造或轧制时所要求的组织。（3） 渗碳体：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，分子式Fe3C用符号Cm表示。硬度高，塑性差，硬而脆，钢中渗碳体数量增多，强度和硬度提高而塑性下降。（4） 珠光体：是铁素体与渗碳体的混合物，用P表示。显微镜下渗碳体和铁素体片层相间，交替排列。在平衡条件下珠光体的含碳量为0.77%，它的强度高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体与铁素体之间.（5） 莱氏体：高温状态下奥氏体和渗碳体的混合物，用Le表示.其机械性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。上述五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳

13、合金的基本相。 碳素钢中还含有少量的硅、锰、硫、磷，它们对钢的组织和性能也有很大影响。硅和锰是有益元素，可溶于-Fe内，使钢的强度和硬度提高。硫和磷是有害元素。硫以FeS的形式存在，削弱了晶粒间连接，在轧制或锻造时会造成钢材开裂，此现象称为热脆性。磷可与-Fe相溶，形成脆性很大的Fe3P，使钢在高温下塑性和韧性急剧下降，此现象称为冷脆性。（四）钢的分类和编号1、钢的分类（1） 按化学成分分类有：碳素钢：根据含碳量多少又分为：低碳钢：含C量0.25%,强度低,但塑性、焊接性好。中碳钢: 0.250.60%之间,强度高 塑性、焊接性差。高碳钢:含C量0.6%，塑性及焊接性都差，热处理后有较高强度和

14、硬度。合金钢：加入一种或数种合金元素的钢称合金钢，比碳素钢有较高强度和韧性，或有特殊性能。（2） 按质量分类：碳素钢质量的高低是根据钢中杂质磷、硫的含量来区分的普通钢：钢中磷、硫的含量较高；优质钢：钢中磷、硫的含量较低；高级优质钢：钢中磷、硫的含量很低。（3） 按用途分类：结构钢制造多种机械零件和工程结构。工具钢制造多种刃具、量具和模具。特殊性能钢特殊的物理化学性能、如不锈钢，耐热、耐磨钢等。钢碳素钢合金钢碳素结构钢碳素工具钢普通碳素结构钢优质“普通碳素结构钢”碳素工具钢高级优质碳素工具钢甲类钢乙类钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢低合金结构钢机械制造结构钢低合金工具钢高“低合金工具钢”不锈钢耐

15、热钢耐磨钢渗碳钢调质钢弹簧钢2、钢的编号（1） 碳素结构钢钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。Q钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D质量等级；F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；b半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母；（2） 合金结构钢：钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号三个部分按顺序组成。Q钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D质量等级；(五) 钢的热处理钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或

16、表面组织，获得所需性能的工艺方法。重要的零件要进行热处理，以提高金属材料的强度和硬度，改善材料的逆性和韧性等，充分发挥材料的潜力。大多数的热处理都要将钢加热到相变温度以上，使其组织由铁素体和渗碳体的混 合物转变为均匀的奥氏体。只有奥氏体状态才能通过不同的冷却方式转变成不同的组织，从而使钢获得所需要的性能。钢的热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。1、退火将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），以达到接近平衡状态组织。根据退火目的将退火分为以下两种：（1） 完全退火：使用最广泛，主要用于亚共析钢（C0.77%）锻件，轧件和铸件退火，

17、其目的是通过重结晶使晶粒细化，均匀组织，消除残余应力。（2） 球化退火：使钢中碳化物呈球化，用于过共析钢（含碳0.77%C2.11%）和工具钢，使渗碳体球化，降低硬度提高韧性，改善工件切削加工性能，减少工件淬火时产生变形和开裂。2、正火将工件加热后，保温适当时间后在自由流通的空气中冷却得到球光体组织。对低碳钢或低碳合金钢，正火目的是提高硬度改善切削加工性能。对过共析钢或合金工具钢，正火目的是减少渗碳体数量，便于球化退火。对不太重要的工件，目的是细化晶粒，使组织均匀化，提高机械性能，可作为工件的最终热处理。3、淬火将合金加热到相变温度以上，保温，快速冷却，获得不稳定组织。淬火后的工件再配合适当的

18、回火，使金属材料达到使用要求。如刃具和模具要求高的硬度和耐磨性，多种轴类和齿轮要求较好的韧性都是通过淬火和回火来达到的。 钢件淬火通常用水、油和盐、碱的水溶液作为淬火介质，使用什么介质取决于钢的化学成分及对工件的技术要求，形状简单，截面较大的碳素钢件多在水中淬火，合金钢和复杂的碳素钢件多在油中淬火 。4、回火为消除残余应力及获得所要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到一定温度保温，然后冷却到室温。淬火后的工件应及时回火，这是由于淬火马氏体是不稳定的组织，回火促使其组织结构稳定，保持工件使用过程中不再发生形状和尺寸的改变，其次回火可降低淬火工件的脆性，减少和消除内应力，最后回火可获得要求的强度，

19、硬度和韧性，以满足工件使用要求。根据加热温度范围，回火可分为低温、中温和高温回火，其中低温回火应用于高碳工具模具、量具、渗碳后表面淬火的工件；中温回火用于多种弹簧、弹性夹头及锻模；高温回火用于重要工件如轴、齿轮、连杆和螺栓等。5、表面热处理仅对工件表面加热、冷却而不改变成分的热处理称为表面热处理。最常用的是表面淬火，使工件表层变硬，而心部仍保持原来的组织。表面淬火使工件表面具有较好的硬度和耐磨性。表面淬火有火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火等。火焰加热是用氧气乙炔（或氧气煤气）混合气体燃烧的火焰，喷射加热工件表面，然后再喷水冷却，这种方法设备简单，淬硬速度快，成本低，但火焰加热表面容易过热

20、，淬火效果不稳定。利用中、高频（频率一般为50030万HZ）高变电磁场在工件表面产生感应电流进行加热的热处理工艺称为感应加热表面淬火。感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，心部电流几乎等于零，表面电流密度极大，这个现象称为集肤效应。频率越高，电流密度极大的表层越薄。工件表层可迅速被加热，几秒钟即可使温度升高8001000，而心部仍接近室温。一但表层温度上升到淬火加热温度时，立即喷水冷却（合金钢浸油淬火），表面形成马氏体，工件表面变硬。这种方法较为先进，生产率高，加热温度和淬硬层容易控制，淬火质量好，但是设备昂贵，主要适用于大批生产。6、化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种

21、元素渗入它的表面，改变表面的化学成份，组织和性能，提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性等。常见的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳多用气体渗碳，在专用井式电阻炉中进行。渗碳后，工件表层0.52.0范围内含碳量可提高0.851.0%，渗碳后，工件还要进行淬火和低温回火。适用低碳钢和低碳合金钢，提高工件表面硬度，耐磨性和使用寿命。渗氮也称氮化。氮化可使工件表面得到一定的氮化层，有更高的硬度和耐磨性，高的耐疲劳强度。渗氮没有相变，不需淬火，变形也很小。但生产周期长，工艺复杂，成本高。碳氮共渗也叫氰化。碳氮共渗时通入碳氮气体和一定数量的干燥无水的氨气，使其发生分解，形成活性碳原子和氮原子，同

22、时被工件表面吸附并扩散形成氰化层。氰化过程加热温度较低（820840），氰化后可直接淬火或冷却后再加热淬火。碳氮共渗工件变形小，渗层有较高的耐磨性，疲劳强度和抗压强度。但其工艺复杂，用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件，如仪表和缝纫机零件等。第二章 机械零件的联接与紧固机械零件的连接与紧固方法很多，主要有焊接、螺纹连接、铆钉连接、销钉连接、键连接等等，这里主要介绍焊接与螺纹连接（一）焊接1、焊接特点通过焊接，被连接的焊件不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了金属内部组织之间的内在联系，其连接表面接近到原子间的结合力的程度，因此，焊接时往往采用加热或加压或两者并用的措施，以实现连接

23、表面间的原子结合。2、焊接方法（1） 熔焊：焊件连接处局部加热到熔化状态，再冷却凝固成一体，不加压完成焊接。按加热热源形式分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。（2） 压焊：焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热），如电阻焊、摩擦焊等。（3） 钎焊：采用低熔点的填充金属（称为钎料），熔化后与固态母材相互扩散形成金属结合。第 10 页 共 54 页机械设计基础知识概述3、焊接分类熔 焊压 焊钎 焊气 焊电弧焊电渣焊弧 焊等 离 子电子束焊激光焊电阻焊摩擦焊爆炸焊扩散焊超声波焊冷压焊软钎焊硬钎焊手弧焊埋弧焊保护焊气 体点 焊缝 焊对 焊锡 焊铜 焊银 焊自 动半自动氩弧焊CO2

24、 焊 第 11 页 共 54 页4、焊接应用（1） 制造各种金属构件：房屋房架、桥梁、船体、车辆、飞机、火箭、压力、容器、管道、起重机、锅炉。（2） 生产机器零件（或毛坏）、大型机件可达几十吨、百吨。（3） 修补铸、锻件的缺陷和局部受损零件。5、焊接结构的缺点（1） 焊接接头的组织和性能有较大的不均匀性；（2） 焊接结构有较大的焊接应力和变形，不仅影响形状和尺寸，且降低结构和承载能力；（3） 焊接接头容易产生缺陷，且应力集中现象严重，在一定条件下，焊接结构比铆接结构更易出现脆断事故。6、电弧焊和电渣焊简介焊件局部被加热到熔化状态，形成金属熔池，填充金属以熔滴形式向熔池过渡。手弧焊最常用。焊条药

25、皮在熔化过程中，产生一定量的保护气体和液态熔渣，起隔绝空气的作用。液态熔渣在熔池中浮起，起保护液态金属的作用。和一般冶炼过程相比较，焊接电弧和熔池温度比一般冶炼温度高，金属元素强烈蒸发和烧损，又由于熔池体积小，从熔化到凝固的时间又短，温度变化快，冶金反应的速度和方向变化迅速，如气体和熔渣不及时浮出就会在焊缝中产生气孔和夹渣的缺陷。如果低碳钢，采用光焊丝，由于熔化金属缺乏保护，空气中的氮、氧大量侵入，焊缝质量显著变坏。此外空气中的水份、焊件、焊丝表面的油、锈、水，使焊缝含氢量增加，引起氢脆性，导致冷裂纹和形成气孔。为了保证焊缝质量，必须采取措施，去除有害物质，增加合金元素。7、焊条及其编号焊条由

26、焊芯和药皮组成。焊芯在焊接中作为电极，传导电流，产生电弧。焊芯的质量至为重要，一般采用经过特殊冶炼的焊接专用钢丝（称焊丝），其化学成份不同，用途也不同。焊丝牌号前面第一个字符“H”，表示焊条用钢，如H08，H08A，H08MnA，H08Mn2SiA，H10Mn2等，国标有规定。药皮是涂在焊丝外面的涂料层。焊条药皮按其作用分为稳弧剂，造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂和粘结剂等。药皮的原材料由矿物、铁合金、有机物和化工产品等四类。多种原材料粉末按一定比例配成涂料，压涂在焊芯上。焊皮按熔渣化学性质分为两大类：以酸性氧化物（如：SiO2、TiO2等）为主的焊条称为酸性焊条；以碱性氧化物（如CaO等）和荧

27、石（CaF2）为主的焊条称为碱性焊条。焊条牌号分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。焊条牌号及意义举例：表示焊条各大类详见有关表格内容表示各大类中的若干小类表示药皮类型和焊接电源种类 酸性焊条和碱性焊条的性能差别很大，使用时不可随意代替。酸性焊条操作工艺性好（如稳弧性好，容易脱渣，飞溅少、成形美观），对油、锈和水的敏感性不大，抗气孔能力强，焊接电源可采用交流或直流。因此酸性焊条广泛用于一般结构的焊接。结构钢焊条中，除低氢钾型和低氢钠型药皮外均为酸性焊条。碱性焊条脱氧能力强，药皮中有能起

28、去氢作用的荧石，所碱性焊条焊缝金属含氢量低，抗裂性好，常用于焊接重要的焊接结构，其缺点是对油、锈和水的敏感性大，使用不当易产生气孔，药皮中CaF2产生的氟阻碍气体电离，电弧稳定性差，一般要求采用直流电，焊接时有毒烟尘多，应注意通风和防护。8、焊接变形和应力焊接变形和应力的形成原因，是由于焊接接头区域受不均匀加热和冷却的作用，其膨胀和收缩受四周冷金属的拘束不能自由进行，会产生焊接变形和残余应力。焊接变形和应力总是同时存在，相互联系的，一般情况下，若母材塑性较好和结构刚性较小，则变形较大而应力较小，反之应力大而变形小。常见焊接变形有：缩短变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪形变形。（1）预防焊接

29、变形的工艺措施 反变形法 刚性固定法用压板固定可减少变形，但会产生较大应力。 采用合理的焊接顺序对1米以上焊缝可采用逐步退焊法、跳焊法、分中逐步退焊法；对中长焊缝（0.51米长）可采用分中对称焊法。（2）焊接变形的矫正 机械矫正法：适于塑性好的材料，如低碳钢和普通低合金钢。 火焰矫正法：局部加热工件，利用加热时发生的压缩塑性变形和冷却时的收缩变形、矫正原来的变形，仅适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。（3）焊接应力：由图看出，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的纵为拉应力，其数值可达到材料的屈服强度5（焊缝尺寸过小时除外）。（4）减少焊接应力的工艺措施 选择合理的焊接顺序：拼板时先焊错开的短

30、焊缝，后焊直通的长焊缝。 焊前预热：减少焊件各部分温差，降低焊后冷却速度，减少残余应力。 锤击焊缝，焊完一道焊缝后，用一定形状的锤均匀迅速锤击焊缝金属，使之得到延伸，可降低残余应力，又可减少焊接变形。 加热适当部位，使之伸长。焊后冷却时，加热区和焊缝一起收缩，以减少残余应力。（5）消除焊接残余应力的方法：重要焊接结构焊后均应进行消除应力处理。常用消除应力退火（也称高温回火）来消除残余应力。一般在炉中加热到600650，保温一定时间后随炉冷却（或空冷），可消除80%以上残余应力。9、焊接结构的工艺性焊接结构工艺性包括材料选择、焊缝布置和焊接接头设计。 焊接结构材料的选择材料不同，焊接的难易程度差

31、别很大，应选择焊接性能良好的金属材料制造焊接结构。低碳钢和强度级别不高的普通低合金钢（如16Mn等）具良好的焊接性，易于保证焊接质量。不同种类的两种金属焊接难度很大，一般应尽量避免使用。 焊缝布置原则 焊缝位置应便于焊接操作，焊条要能伸到焊接部位。 焊缝应避开应力较大部位，尤其应力集中部位（应力集中的转角位置）焊缝要避开受力点，如焊缝不宜在转角位置。 焊缝应避免过分集中和交叉。 焊缝设置应尽可能对称，以减少弯曲变形。 尽量减少焊缝长度和数量。 焊缝一般应避开加工部位（或加工表面）。 接头设计 接头形式选择多种形式接头，要从变形及应力状态方面进行比较和选择。常见桁架结构多采用搭接接头。薄板气焊多

32、采用卷边接头。 坡口型式选择手弧焊常用坡口有I形、V形、X形及U型四种坡口，可用气割、切削加工（刨、车削等）等方法加坡口，不同型式适用于不同厚度金属板焊接。通常，要求焊透的受力焊缝尽量采用双面焊，利于保证质量，不能双面焊的工件可采用单面焊双面成形技术，设计相应的坡口形式。 接头断面设计原则焊接接头两侧板厚或断面应相同或接近，使接头两侧加热均匀。对接不同厚度钢板的重要受力接头时，若两板厚度差不超过下表规定，坡口形式和尺寸按厚板选取，若板的厚度差超过表中规定，在厚板上做单面或双面削薄弱，其削薄长度L3-4（-1）。不同厚度钢板对接的允许厚度差（mm）较薄的厚度255991212允许厚度差（-1）1

33、234（二）螺纹联接螺纹联接因其构造简单，拆装方便，都已标准化，批量生产，成本低廉，联接可靠，有足够的强度、刚度和自锁性，广泛用于各种金属结构和机构中。1、螺纹及螺纹联接的主要参数螺纹的外表面是圆柱螺旋线。圆柱螺旋线是沿着圆柱表面运动的点的轨迹，该点的轴向位移a与相应的角位移a成正比，在圆柱表面上，沿着螺旋线所形成的连续凸起和沟槽称为螺纹。螺纹由外螺纹和内螺纹组成，按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。根据牙型可分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角形螺纹用于联接，后三种螺纹用于传动。螺纹的主要参数有： 线数：如果有两个以上的动点，同时在同一个圆柱面上作同样的螺旋运动，且轴向为

34、等距分布时，则形成多线螺旋线。螺旋线的条数称为螺纹的线数，用n表示。 旋向：点沿圆柱表面运动的角位移方向和轴向位移方向不同，螺旋线有右旋和左旋之分，螺钉顺时针旋入的称为右旋螺纹，逆时针旋入的称左旋螺纹，常用大多数螺纹都是右旋的。 牙型角，牙型半角/2：在螺纹牙型上，连接牙顶和牙底的侧表面称为牙侧，相邻牙侧间的夹角叫牙型角。牙侧与螺纹轴线的垂线的夹角/2叫牙型半角。 外径（大径）d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹外径（或大径），亦称公称直径。 内径（小径）d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹内径（或小径）。 中径d2：指一个假想的中径圆柱的直径，该

35、圆的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。 螺距P：相邻两牙在中线上对应相点间的轴向距离。 导程S：同一条螺旋线上相邻两牙在中线上对应两点间的轴向距离，S=nP， 对单线螺纹而言，因n=1，所以S=P。 螺旋升角：在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，。用于联接的螺纹主要有：普通螺纹与管螺纹。普通螺纹牙型角60，以外径d为公称直径。同一公称直径可有多种螺距的螺纹。其中最大螺距的螺纹叫粗牙螺纹，其余的都叫细牙螺纹。一般联接常用粗牙螺纹，据公称直径查标准选用。细牙螺纹升角小，自锁性好。细牙螺纹比粗牙螺纹钉杆强度高，但不耐磨，易滑扣，多用于薄壁零件。管螺纹有牙型角55的英制细牙螺

36、纹，公称直径为管子内径，还有圆锥管螺纹，牙型角有55和60两种，不同填料即可保证联接紧密性。2、螺纹联接的主要型式，标准联接零件螺纹联接的主要型式有： 螺栓联接：当被联接件不太厚时，用普通螺栓贯穿两个（或多个）被联接的孔，再拧紧螺母，此种应用最广。 螺钉联接，如被联接之一较厚，即可采用螺钉联接。螺钉拧入深度与螺钉及被联接件的材料有关，按等强度条件决定的最小拧入深度可查有关手册。此种联接不适于经常拆卸的联接，经常拆卸可使螺孔磨损导致修理困难及被联接件的报废。 双头螺柱联接：用于被联接件之一较厚而又经常拆装的场合。拆装时只需卸下螺母，不必拧出螺柱。设计时注意双头螺柱必须紧固。在拧松螺母时，保证螺柱

37、在螺孔中不得转动。双头螺柱联接常用的紧固方式如下页图所示：其中：（a） 利用过盈配合螺纹，拧入螺纹孔，构成旋合全长横向收紧；（b） 利用螺纹收尾部分（不完全螺纹）挤入螺纹孔构成局部横向收紧；（c） 利用挡环端面抵紧螺纹孔，并使螺柱轴向定位；（d） 利用螺柱顶部结构，抵紧螺纹孔底面，构成轴向固紧。 紧定螺钉联接：将钉拧入一个零件的螺纹孔，使钉的末端顶住另一零件表面或顶入相应的坑穴。它主要用于固定两零件的相互位置，不宜传递很大的力或力矩。螺纹联接用标准联接件主要有以下六种： 螺栓：按加工精度不同分为粗制螺柱和精制螺栓两种。螺栓头部常用的有标准六角头，小六角头、方头。 双头螺柱：两端均制有螺纹，共拧

38、入机体端的螺纹长度为L1，L1的大小与被联接件的材料有关，当钢对钢连接时，L1=d，当钢对铸铁联接时L1=1.25d和L1=1.5d，当钢对铝合金时L1=2d。 螺钉：结构形状与螺栓类似，但螺钉头部形式较多，其中内、外六角头可施加较大的拧紧力矩。圆头和十字头都不便施加较大力矩，所以选用的直径不要过大，一般不超过10mm。 紧定螺钉：其头部和尾部的形式很多，常用尾部形状有锥端，平端和圆柱端，一般要求尾端要有足够的硬度。 螺母：常用六角螺母，亦有粗制和精制之分。按其高度不同分为标准螺母，扁螺母及厚螺母。如要求减轻重量且不常拆卸可用扁螺母，常拆卸时用厚螺母。 垫圈：常用的附件，放在螺母与被联接件之间

39、，可以保护支撑面或防止螺母松脱（弹簧垫圈等）。3、螺纹紧固件的强度级别国家标准规定：螺纹紧固件按其材料机械性能分级，强度级别由数字表示：螺栓用两个数字表示，小数点前的数字为材料的抗拉强度Bmin/100，小数点后的数字为10，两个数字相乘的10倍即为材料的最低屈服极限Smin（MPa）。螺母用一个数字表示，为。为防止螺纹副咬死和减少磨损，应使螺母的材料级别比螺栓材料的级别低。4、螺纹联接的预紧与防松按螺纹联接装配时是否拧紧，分为松联接和紧联接。固定滑轮的联接螺栓就是松联接的典型例子，这种螺栓只有在承受外载荷时才受到力的作用。实际应用中，绝大多数联接在装配时就需要拧紧，此时螺栓所受的力叫预紧力。

40、预紧可增加联接刚度，紧密性和提高防松能力。联接螺纹标准件都能满足自锁条件。螺母或钉头与被联接件支撑面间的磨擦力也有助于防止螺母松脱。但是，如果温度变化大或承受冲击荷载，或振动都会使螺母逐渐松脱，设计时必须按工作条件及可靠性要求，结构特点考虑设置防松装置。这种防松装置一般可分为三类： 利用磨擦力防松，弹簧垫圈是结构简单、使用方便的防松零件，但因弹力不均而不十分可靠。还可用双螺母防松。还可用锁紧螺母防松。锁紧螺母上端开口后径向收口，拧紧后张开，靠螺母弹性锁紧，简单可靠，可多次拆装，用于较重要场合。 利用联接件的形状防松利用附加联接件的形状，或改变螺纹副的形状使螺纹副不能相对转动。其作法有： 六角槽

41、螺母设置开口销，安装时在螺杆末端钻孔（指开口销）可用于承受冲击线载荷变化较大的联接。 单耳止动圈：将其一边弯起贴在螺母侧面上，另一边弯下贴在被联接件的侧壁上，防松可靠。 三联止动垫圈：将三个螺母拧紧后把垫圈的两边分别扳起贴在三个螺母的侧面上，使三个螺母彼此制约。 串联钢丝：用于螺钉数目不多且排列较密的联接，注意钢丝穿联方向，图中右图方向合理，防松效果，但安装费时。 端面冲点：属于永久止动，用于不拟拆卸的螺纹联接。 利用附加材料防松，如将螺母焊在钉杆上，侧面焊死，或用粘合剂涂在螺纹表面，不仅防松还可密封。5、螺栓组结构设计应考虑的因素 从加工看，联接接合面的几何形状应尽量简单，常使螺栓组的形心与

42、联接面的形心相重合。最好有两个对称轴，加工计算都方便。通常采用条状或环状接合面，减少加工量和接合面不平的影响，同时增加联接刚度。 受力矩作用的螺栓组，螺栓布置尽量远离对称轴，同一圆周上螺栓数目应采用4，6，8，12便于划线和分度。 螺栓受力要合理，对受横向载荷的普通螺栓可采用减荷装置。或改用铰制孔螺栓，尽量避免螺栓受附加弯曲载荷（如支承面不平，螺母孔不正，被联接件刚度小，联接机体孔偏斜等）。 装配时使每个螺栓的预紧力一样，使接合面产生均布压力。因此相邻螺栓的中心距t一般应小于10d。对有紧密性要求的联接，要按有关规定设计t值。t值大小还要考虑扳手的活动空间，因此t值也不能太小。6、螺栓组受力情

43、况 受横向载荷的螺栓组联接：包括螺栓组连接、普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。对普通螺栓联接，螺栓预紧后在结合面间产生压紧力，靠磨擦力抵抗横向外载荷。对铰制孔用螺栓联接，在横向外载荷作用下，螺栓杆承受剪切和挤压。 对受旋转力矩的螺栓组联接，其受力情况与横向载荷基本相同。 受轴向载荷的螺栓组联接：多螺栓受力均匀，其轴线相同，设想螺栓均布，每个螺栓受外载荷相同。 受翻转力矩的螺栓组：翻转趋势与M转向相同。当M作用后00左侧的螺栓被拉紧，轴向拉力增大，右侧的螺栓被放松，螺栓的预紧力QP减小。图（b）为在预紧力作用下，接合面间的挤压应力分布图。图（c）为翻转力矩作用下，接合面间的挤压应力分布图。图（d）

44、为不考虑受载螺栓预紧力变化时，翻转力矩产生应力与预紧力合成后，挤压应力的分布图。由图看出，接合面左边缘挤压应力最小，右边缘挤压应力最大。螺栓联接设计时，不论其受什么样外载荷，均先求出螺栓组受的总合力，然后再进行单个螺栓的强度计算。7、提高螺栓联接强度的措施 改善螺纹牙间载荷分配不均现象从刚度变形来分析，在力的传递过程中，螺栓受拉，螺距增大，而螺母受压螺距减小，两者螺距的变化差要靠旋合螺纹的弯剪变形来协调补偿。研究情况表明，从螺母支承面算起第一圈纹牙变形最大，第二圈次之，以后递减，因此采用圈数过多的螺母并不能提高联接强度。为改善螺纹牙上载荷分布的不利情况，常采用的方法有： 设悬置螺母，使母体和螺

45、栓都受拉，减少螺距变化差，使螺纹牙上载荷分布均匀。 用内斜螺母，螺母旋入端制成1015的内斜角，原受力大的下面几圈螺纹牙受力点外移，刚性随之减小，载荷上移，使载荷分布趋于均匀。 环槽螺母，螺母开割凹槽，造成螺母部分受拉，作用同设悬置螺母。这些措施加工复杂，只适用于重要场合。 减少螺栓应力幅受交变载荷的螺栓联接来说，增加螺栓长度、减小螺杆横截面积或减小螺杆材料的弹性横量E都可降低螺杆刚度，如采用柔性螺栓。 减少应力集中，在螺栓的螺纹牙上、螺纹收尾处、过渡圆角处、杆截面变化处都有应力集中。其中螺纹牙根的应力集中影响很大，可增大牙根的圆角半径，如将r=0.1443p增为r=0.21p，螺栓联接强度可

46、提高2440%。此外加大钉头钉杆过渡圆角，切制卸载槽及采用卸载过渡，螺纹收尾退力槽等均可减少集中应力。这些措施的缺点是增加了成本，只在重要联接时使用。 避免附加应力如支撑面不平、螺母孔不正、被联接件打孔不在一条直线上，被联接件刚度过小，钩头联接，都使联接产生附加应力，设计中要加以避免。 采用合理的制造工艺制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响，加工时螺纹表面层中产生的残余应力应想办法消除。滚压螺纹比车制螺纹工艺好。车制螺纹把本来表面质量较好的棒料车去，金属纤维也被车去不合理，而滚压螺纹是利用材料的塑性成形，滚压后金属组织紧密，螺纹工作时力流方向与材料纤维方向一致，其强度比车制螺纹提高4095%。对螺纹表面氮化，氰化等表面硬化处理也可提高螺栓的疲劳强