工业设计工程基础1.docx

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工业设计工程基础1

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第一章

工程/engineering：

人类应用科学知识、专门技能与技术装置改造客观世界的实践活动过程。

工程的主要内容有应用研究、技术开发、产品设计、生产运行、质量监控、技术服务等内容。

以科学精神和实践技能为基础，不求基础理论重大发现，注重效益基础上创新。

科学方法/scientificmethod：

①现有知识②科学好奇③假设④逻辑分析⑤证明⑥传达⑦新知识。

设计方法/designmethod：

①现有状态②需求识别③概念化④可行性分析⑤制造⑥接受⑦新状态。

I.M.Asimov设计过程描述

概念设计：

问题定义、信息收集、概念产生、概念评价

方案设计：

产品结构、配置设计、参数设计

详细设计①制造规划——详细设计②配送规划——详细设计③使用规划——详细设计④退役规划——详细设计⑤

结构材料structuralmaterial功能材料functionalmaterials

环境材料ecomaterial功能材料functionalmaterials

传统材料traditionalmaterial新型材料advancedmaterial

材料的性能③materialproperties——材料的失效FailureAnalysisofMaterials

◆失效是产品失去正常工作应具有功能的现象。

具体包括三种情况：

①完全丧失功能；②功能衰退到不再具有原设计要求；③严重损伤，以致在继续使用中失去可靠性及安全性。

◆失效分析是设计名牌产品和优质产品的必由之路和科学途径。

◆失效往往是几种原因综合作用的结果，大体可分为设计（计算不当、外形应力集中、使用环境不当）、材料（冶金缺陷、热处理工艺不当、选材配合不当）、加工（制造工艺不当）、安装使用（服役条件变化、操作不当）等几个方面。

◆材料的失效形式主要有过量变形、断裂、表面损伤和老化，具体表现在材料的累计损伤和性能退化。

◆失效分析的基本方法①FaultTreeAnalysis②ChemicalCompositionAnalysis

◆③MicrostructureAnalysis④StressAnalysis⑤NondestructiveTest⑥FractureAnalysis

材料的力学性能

强度strength：

构件在载荷作用下，抵抗破坏的能力。

刚度stiffness：

构件在载荷作用下，抵抗变形的能力稳定性stability：

载荷作用下，保持原有平衡状态或称抵抗失稳（buckling）的能力。

弹性elasticity塑性plasticity屈服特性yielding延展性ductility疲劳强度fatiguestrength硬度hardness冲击韧性impacttoughness断裂韧性fracturetoughness脆性brittleness粘流性viscoelasticity

高温性thermalshock导电性electricalproperties导磁性magneticproperties光学性opticalproperties耐用性oxidation耐腐蚀性korrosion

Ø应力stress

Ø内力/internalforce：

是指由由外力作用所引起的、物体内部各相邻部分之间因相对位置改变而引起的相互作用，即附加内力。

Ø应力/stress：

内力在截面上的分布集度或单位面积上内力的大小。

其单位是帕斯卡（pascal）记作Pa（N/m2）。

Ø平均应力/averagestress：

若△A上的内力是均匀的，则RM（旧文献常用σm）称为平均应力

总应力/totalstress：

若△A上内力不均匀，令△A→0得到一点的应力，p称为全应力或总应力。

Ø正应力/normalStress：

垂直于截面的应力。

若△F的法线分量为△N，则正应力σ＝pcosα

Ø剪应力/shearingStress：

位于截面内的应力。

若△F的切线分量为△S，则剪应力τ＝psinα

线应变/linearstrain（ε）：

拉压杆的相对变形——当△x变化是均匀的，ε1称为棱边△x的平均线应变；当△x变化不均匀时，令△x→0为一点的线应变，ε0简称应变。

工程上规定纵向应变拉伸为正，压缩为负。

横向尺寸相对变形称为横向应变（lateralstrain）ε’。

工程上规定横向应变拉伸为负，压缩为正。

柏松比/Poisson’sratio（ν）：

以SiméonDenisPoisson（1781-1840）命名，是材料的横向变形系数。

实验表明，在弹性范围内ν（旧资料也用μ）是反映材料性质的常数，一般在-1～0.5之间。

抗拉强度tensilestrength

屈服强度Re是指材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发上而力不增加的应力点。

上屈服强度ReH是试样首次屈服时最大力与试样原始横截面积之比，下屈服强度ReL是试样首次屈服时不计瞬时效应时的最小力与试样原始横截面积之比。

材料没有明显屈服现象时，规定非比例延伸率为0.2%时对应的应力值代替屈服强度，称非比例延伸强度Rp0.2。

强度校核

比强度/specificstrength/：

强度与密度之比，Rm/ρ。

屈强比/tensileratio/：

Re/Rm表征材料强度潜力发挥。

玻璃态转变/glasstransition：

无定形聚合物加热至一定温度范围时，产生的一种可逆变化。

高于此温度聚合物处于高弹态（橡胶态），低于此温度时，聚合物处于玻璃态。

玻璃化转变温度Tg/glasstransitiontemperature：

在无定形聚合物或部分晶体聚合物无定形区域内，在高弹态和玻璃态之间发生可逆变化温度范围的近似中点值。

为0.2%时对应的应力值代替屈服强度，称非比例延伸强度Rp0.2。

强度校核

比强度/specificstrength/：

强度与密度之比，Rm/ρ。

屈强比/tensileratio/：

Re/Rm表征材料强度潜力发挥。

屈服强度Re是指材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发上而力不增加的应力点。

上屈服强度ReH是试样首次屈服时最大力与试样原始横截面积之比，下屈服强度ReL是试样首次屈服时不计瞬时效应时的最小力与试样原始横截面积之比。

材料没有明显屈服现象时，规定非比例延伸率

抗拉强度tensilestrength

加工硬化/冷作硬化/workhardening——材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，然后卸载，当再次加载时弹性极限和屈服极限提高、塑性降低的现象。

建筑构件中的钢筋、起重机的缆绳等，一般都要作预拉冷作硬化处理来提高材料在弹性范围内的承载能力。

蠕变/creepdeformation——在高温和定值静载荷作用下，材料的变形将随着时间而不断地慢慢增加，此现象称蠕变。

应力松弛/stressrelaxation——在变形维持不变的情况下，材料随时间而发展的蠕变变形（不可恢复的塑性变形）将部分地代替其初始的弹性变形，从而使材料中的应力随着时间的增加而逐渐减小，这种现象称应力松弛

截面弯曲中心：

横力弯曲时，梁的横截面上不仅有正应力还有剪应力。

对于有对称截面的梁，当外力作用在形心主惯性平面内时，剪应力的合力，即剪力作用线通过形心，梁发生平面弯曲。

对于非对称截面（特别是薄壁截面）梁，横向外力即使作用在形心主惯性平面内，剪应力的合力作用线并不一定通过截面形心。

此时，梁不仅发生弯曲变形，而且还将产生扭转。

只有当横向力作用在截面上某一特定点时，该梁才只产生弯曲而无扭转。

这一特定点称为弯曲中心或剪切中心，简称弯心

疲劳强度fatiguestrength。

循环应力/cyclicstress/alternativestress：

周期性变化的应力。

疲劳破坏/fatiguefracture：

构件在循环应力作用下产生的破坏。

疲劳强度/fatigueftrength：

工程材料在循环应力作用下抵抗疲劳破坏的能力。

也可以说材料承受规定循环次数CycleHumber（106～107）而不失效的最大应力。

疲劳极限/fatiguelimit：

当应力循环中的最大应力小于某一极限值时，试件可以经受无限多次应力循环而不发生破坏。

这一极限应力值就称为疲劳极限，用Rr（旧标准σr表示）。

脚标r表示该疲劳极限值是疲劳试验机在循环特征为r时测出的。

疲劳断裂/fatiguefracture：

在变动载荷（也称疲劳载荷）作用下,尽管所受应力低于屈服强度,仍会发生损伤、断裂的现象。

疲劳寿命/fatiguelife：

在给定应力条件下，材料发生疲劳破坏对应的应力循环周期数（循环次数）。

疲劳强度/fatigueftrength：

工程材料承受规定循环次数CycleHumber（106～107）而不失效的最大应力。

中国钢结构设计规范（GBJ17-1988）规定，应进行疲劳计算的应力变化循环次数是105

硬度hardness更硬的外来物体作用于固体材料时，材料抵抗塑性变形、压入和压痕的能力。

是受压变形程度和抗穿刺能力的一种物理度量方式。

布氏硬度/布里涅耳硬度/HB:

Brinellhardness/

GB/T231.1-2002：

在一定载荷作用下，将一定直径的淬火钢球压入试件内，保压一定时间卸掉负荷，测定压痕直径，用试件压痕的表面积除负荷所得的商，即布氏硬度值。

冲击韧性impacttoughness是材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的力学性能指标，简称韧性，用aku表示。

指试件在一次冲击试验时被冲断所吸收能量与原试件最小截面积之比。

冲击韧性越大，材料抵抗冲击的能力越强。

小能量反复冲击时，材料强度越高，冲击韧性越好。

提高强度只能以损失塑性为代价才能达到，因此增加了脆性断裂的敏感性。

例如航空航天产品中的高强度铝合金和高强度钢，要用特殊的试验ASTME813来确定应变断裂韧度（脆性断裂敏感性）。

金属的结构

晶体（crystal）与非晶体：

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。

非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆聚在一起（如松香、玻璃、沥青）。

晶格（lattice）：

把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来构成一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。

晶胞（unitcell）：

晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的重复几何单元称为晶胞（平行六面体）。

晶格常数（latticeconstant）：

取晶胞角上某一结点为原点，沿其棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小。

为什么一种金属从FFC向BCC转变时会伴随体积的膨胀？

晶体结构的致密度：

是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。

在体心立方晶胞中的2个原子的体积为2×（4／3）πr3，故体心立方晶格的致密度为：

2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。

这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。

同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74

晶面指数：

确定晶面指数的步骤如下：

设坐标：

设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，坐标轴应位于待定晶面的外面。

求截距：

以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。

取倒数：

将所得三截距之值变为倒数。

化整数:

再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示（hkl）。

晶向指数：

确定晶向指数的步骤如下：

设坐标：

通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向。

求坐标值：

求出该直线上任意一点的三个坐标值。

化整数：

将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为［uvw

金属的结构microstructureofmetals⑤——晶体缺陷的几何形态特征

晶体缺陷/crystaldefect：

是晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。

这些缺陷的存在对金属的性能将产生显著影响。

点缺陷/pointdefect：

包括vacancyvacancy和soluteatoms。

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为vacancy。

同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为soluteatom。

由于点缺陷的存在，使晶体发了晶格畸变，晶体性能发生改变。

晶体中的空位、间隙原子和置换原子处于不断地运动变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式。

线缺陷/lineardefect,dislocation：

位错。

晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。

其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。

晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。

位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。

如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。

冷变形加工后金属出现了强度提高的加工硬化现象，就是由于位错密度的增加所致。

面缺陷/planardefect：

晶界（grainboundary）和亚晶界（subgrainboundary,phantomstructure）。

实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界（大角度晶界）和亚晶界（小角度晶界）。

晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。

两者都能提高金属强度及改善塑性和韧性，称为细晶强化。

金属的结晶和同素异构转变

结晶/crystallization：

材料由液态变为固态形成晶体的过程。

这是液态原子规则排列的过程。

过冷/undercooling：

液态金属在理论结晶温度时，由于释放出结晶潜热而不能结晶，必须冷却到结晶温度以下结晶才能进行，这种现象叫做过冷。

过冷度/degreeofundercooling：

理论结晶温度与实际结晶温度之差。

过冷度与冷却速度有关，一般规律是冷却速度越大，过冷度也越大，结晶的驱动力也越大。

晶粒度/grainsize：

有三种表示法——单位体积中晶粒数目Zv、单位面积上晶粒数目Zs、晶粒的平均直径。

形核率N越大或晶粒长大速度G越慢，晶粒越细。

同素异构转变/allotropictransformation：

有些材料在固态下存在两种以上的晶格形式。

这种材料在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

合金的晶体结构

Ø固溶体/solidsolution：

由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

两种或两种以上物质互相溶解构成单一均匀的物质称为固溶体。

固溶体具有溶剂组元的晶格类型。

置换固溶体/substitutionalsolidsolution间隙固溶体/interstitialsolidsolution

Ø金属间化合物/intermetalliccompound：

金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物相。

化学成分一般符合AmBn形式。

一类是结构用金属间化合物，作为结构承力材料；另一类是功能用金属间化合物，具有磁性、超导、形状记忆等物理或化学性能。

Ø金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，常可用化学分子式表示。

当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化（dispersionstrengthen）。

Ø正常价化合物：

周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物。

其特点是符合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。

如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常价化合物具有高的硬度和脆性。

当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合金强化。

Ø电子化合物：

电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。

它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。

电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比。

电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。

电子化合物的结构取决于电子浓度。

Ø间隙化合物：

由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。

根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可将间隙化合物分为两类：

当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。

间隙相具有极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。

化合物/chemicalcompound

非晶/amorphoussolid

钢的热处理方法

退火annealing

正火normalizing

淬火quenching:

表面淬火surfacequenching

回火tempering:

调质hardeningandtempering

化学热处理:

chemicalheattreatment

碳钢

Ø普通碳素结构钢（GB/T700-1988）：

Q235-A·F

Ø优质碳素结构钢（GB/T699-1999）：

45F

Ø铸钢（GB/T11352-1989）：

ZG200-400

Ø碳素工具钢（GB/T1298-1986）：

T10

合金钢

Ø低合金结构钢（GB/T1591-1994）：

20Cr

Ø合金结构钢（GB/T3077-1999）/弹簧钢（GB/T1222-1984）/轴承钢（GB/T18254-2002）：

38CrMoAl/65Mn/GCr15

Ø合金工具钢（GB/T1299-2000）/高速钢（GB/T9943-1988、GB/T2-1980）：

9SiCr/W18Cr4V

Ø不锈钢（GB/T1220-1992）、耐蚀钢（GB/T15007-1994）、耐热钢（GB/T1221-1992）：

1Cr18Ni9

第二章

连接成形

材料连接方式：

通过内聚力和黏附力将零件连接在一起。

例如焊接和粘接。

用金属或塑料螺钉进行机械锁紧是塑料件互相连接或者塑料与金属连接的常用方法。

弹性嵌卡也常用于塑料件的连接。

热塑性聚合物的封焊和熔接依靠加热和加压。

溶剂焊能够形成塑料间牢固的接头。

用共同固化的方法可以对各种聚合物基复合材料进行连接。

陶瓷材料具有结构和惰性的特点，同时又有很高的熔点，使其与金属或陶瓷之间的粘接难度增大。

玻璃之间的连接只要加热到软化温度，施加压力连接。

金属与玻璃的封焊是可行的，因为金属离子可以进入到玻璃的网络结构中。

陶瓷与金属的连接要首先使陶瓷材料预金属化。

例如氧化铝系的陶瓷用钼锰预金属化方法。

采用金属中间层的扩散连接法也用于陶瓷与金属或陶瓷之间的连接。

压接：

配合面尺寸的裕量产生压接力，可以不加任何其他连接元件直接传递力和力矩。

有纵向压入、收缩式压入和膨胀式压入。

卡接：

利用材料的弹性（主要是塑料和弹簧钢）使其中一个零件有弹性变形，变形恢复后即实现零件的连接。

卡式连接典型紧固元件是弓形夹和弹簧夹头。

螺纹连接

&连接螺纹（三角形螺纹）普通螺纹/紧固螺纹——粗牙/细牙（GB/T196-2003；GB/T197-2003；GB/T2516-2003；GB/T3934-2003；GB/T10920-2003）管螺纹/紧密螺纹（GB/T7306-2001；GB/T7307-2001）传动螺纹:

梯形螺纹（GB/T5796-1986）锯齿螺纹内螺纹、外螺纹左旋螺纹（LH）、右旋螺纹

螺栓连接（bolting）：

通孔、光孔

双头螺柱连接（stud）：

盲孔、螺纹孔

螺钉连接（screw）或自攻螺钉（self-tappingscrew）：

盲孔、螺纹孔

紧定螺钉连接（tighteningscrew）：

轴毂连结

M20×2－7g6g－L－LH（公称直径20螺距2中径公差7g大径公差6g长旋合左旋普通螺纹）

Tr40×14（P7）LH－8H·－L（中径公差8螺距7导程14长旋合左旋梯形螺纹）

G1½B－LH（尺寸代号1½精度B级左旋管螺纹）

Rp1½（尺寸代号1½圆柱内螺纹；圆锥Rc；外螺纹R2）

NPSC3/4O.D.－LH（outsidediameter尺寸为3/4的左旋圆柱内螺纹

螺纹的预紧与防松

pretightingandpreventloosing拧紧力矩：

T=T1+T2

T1:

螺纹副摩擦力矩T2:

螺母与被连接件之间摩擦力矩

预紧力Fa:

在装配螺纹连接时，由于拧紧力矩使连接在承受工作载荷之前预先受到的作用力。

测力矩和定力矩控制预紧力：

T=0.2Fad

利用附加摩擦力防松（弹簧垫圈、对顶螺母）

使用专门防松元件（开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝）

冲点法防松

粘合法防松

键与花键连接

键连接：

实现轴和轴上零件的圆周方向固定以传递转矩和运动。

当轴与传动件轴向相对运动时，键还能起导向作用。

单键连接：

平键（普通A/B/C、导向A/B、薄型A/B/C）、半圆键、楔键（普通、钩头、切向）。

花键连接：

轮和轮毂孔沿圆周方向均匀分布的多个键齿构成的连接。

分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键。

销连接

销连接:

实现零件之间的定位，并可以传递不大的载荷（圆柱销、1:

50圆锥销、螺尾锥销、内螺纹圆柱销、内螺纹圆锥销、开口销）。

焊接成形概述

定义（GB/T3375-1994）:

同种或异质材质的工件,经过加热、加压或两者并用，使工件达到原子水平的结合而形成永久性连接的工艺。

特点：

①局部性；②移动性；③突变性。

–

热功率（平均热功率meanthermalpower）与温度的关系

通过适当的物理化学过程，使分离表面的金属原子接近到晶格距离，形成金属键，从而使金属连为一体。

Weldedjoint：

包括焊缝（weld）、熔合区（fusionzone）和热影响区（heateffectedzone）的焊件连接的接头。

常见形式有buttjoint，edgejoint，T-joint，lapjoint，crossshapedjoint，edge-flangejoint，sleevejoint……。

电弧的静特性（伏安特性）：

一定长度的电弧在稳定的状态下，电弧电压U