機械基礎第2版全書電子教案機械基礎第2版全書電子教案PAGEPAGE178機械基礎第2版全書電子教案職業教育“互聯網+”新形態教材《機械基礎2版》電子教案教案一一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容緒論模塊一課程的內容、性質、任務和學習要求一、機械基礎課程的內容本課程的內容涉及桿件的靜力分析、直桿的基本變形、工程材料、連接、機構、機械傳動、支承零部件、機械的節能環保與安全防護。二、機械基礎課程的性質與任務1．機械基礎課程的性質本課程是中等職業學校機械大類及相關專業的一門專業基礎課程，也是公共職業平臺課程之一，在各專業學習中起到承上啟下的作用。2．機械基礎課程的任務（1）掌握必備的機械基礎知識和基本技能，懂得機械工作原理，了解機械工程材料性能，準確表達機械技術要求，正確操作和科學維護機械設備。（2）培養分析問題和解決問題的能力，并形成正確的學習方法，具備繼續學習專業技術的能力。（3）形成嚴謹、敬業的工匠精神和創新意識，為今后解決生產中的實際問題和職業生涯的發展奠定基礎。三、機械基礎課程的學習要求1．專業能力目標（1）具備對構件進行受力分析的基本知識，會判斷直桿的基本變形。（2）具備機械工程常用材料的種類、牌號、性能的基本知識，會正確選用材料。（3）熟悉主要機械零部件的工作原理、結構和特點，初步掌握其選用的基本方法。（4）能夠分析和處理一般機械運行中發生的問題，具備維護一般機械的能力。2．方法能力目標（1）具備在機械基礎范圍內獲取、處理和表達技術信息，執行國家標準，使用技術資料的能力。（2）參加機械小發明、小制作等實踐活動，嘗試運用本課程的知識和技能對簡單機械進行維修和改進。（3）養成良好的自主學習習慣，掌握正確的學習方法。3．社會能力目標（1）具有團隊合作意思和溝通協作意識，積極參與機械產品社會調查、技術交流、分析研討，拓展解決實際問題的能力。（2）具有社會責任感，了解機械的節能環保與安全防護知識，具備改善潤滑、降低能耗、減小噪聲等方面的基本能力。（3）具備良好的職業道德和職業情感，提高適應職業變化（或崗位變化）的能力。模塊二機械的組成及基本要求一、機械概述1．機械的概念●機械是指機器與機構的總稱。機械能夠將能量（或力）從一個地方傳遞到另一個地方，它是幫助人們降低工作難度或省力的工具或裝置。機械是現代社會進行生產和服務的五大要素（即人、資金、能量、材料和機械）之一。不僅現代產業和工程領域需要機械，就是人們的日常生活，也越來越多地應用了各種機械，如人們使用的汽車、自行車、鐘表、照相機、洗衣機、冰箱、空調機、吸塵器、家庭機器人等。2．機械的分類機械的功能進行分類，機械可分為動力機械、加工機械、運輸機械、信息機械等。按機械的服務產業進行分類，機械可分為農業機械、礦山機械、紡織機械、包裝機械等。按機械的工作原理進行分類，機械可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。●動力機械是用來實現機械能與其他形式能量之間轉換的機械，如電動機、內燃機、發電機、液壓泵、壓縮機等都屬于動力機械。●加工機械是用來改變物體的狀態、性質、結構和形狀的機械，如金屬切削機床、粉碎機、壓力機、紡織機、軋鋼機、包裝機等都是加工機械。●運輸機械是用來改變人或物料的空間位置的機械，如汽車、火車、飛機、輪船、纜車、電梯、起重機、輸送機等都是運輸機械。●信息機械是用來獲取或處理各種信息的機械，如復印機、打印機、繪圖機、傳真機、數碼相機、數碼攝像機、智能手機等都是信息機械。3．人類對機械的基本要求人類對機械的基本要求是：使用功能要求、經濟性要求、勞動保護要求、環境保護要求以及特殊要求。例如，金屬切削機床應在使用過程中，應在較長時期內保持加工精度；食品和藥品加工機械應不污染產品；運輸機械應自重輕、安全高效；信息機械應快速、準確等。二、機器概述●機器是由各種金屬和非金屬部件組裝成的執行機械運動的裝置，它消耗能源，可以運轉和做功，用來代替人進行工作、進行能量變換、進行物料傳遞、進行信息傳遞（或處理）以及產生有用功。1．機器的特征機器都具有三個共同特征。（1）任何機器都是由許多機構組合而成的。例如，汽車發動機（圖0-1）就是有曲柄連桿機構和配氣機構等組合而成的。（2）組成機器的各部分實物之間具有確定的相對運動。例如，內燃機配氣機構（圖0-2）中的凸輪連續轉動而閥桿作間歇往復移動，從而實現氣體的交換過程。圖0-1汽車發動機原理圖圖0-2內燃機配氣機構（3）所有機器都能做有效的機械功，可以代替人或減輕人類的勞動，或進行能量轉換。例如，發電機可以將機械能轉換為電能；運動機器可以改變物體在空間的位置。2．機器的組成機器都是由動力部分、執行（工作）部分、傳動部分和控制部分四部分組成，如圖0-3所示。圖0-3機器的組成（1）動力部分是機器的動力來源。（2）執行部分是直接完成工作任務的部分，它處于整個傳動路線的終端。（3）傳動部分是將動力部分的運動和動力傳遞給執行部分的中間裝置。（4）控制部分是使動力部分、傳動部分、執行部分按一定的順序和規律實現預期運動，完成給定的工作循環。由上面的分析可知，電動自行車、電動縫紉機可以稱為機器，而普通自行車、普通縫紉機由于缺少動力部分，則不能稱為機器。3．機器的結構●機器一般由零件、部件組成一個整體，或者由幾個獨立機器構成聯合體。●由兩臺或兩臺以上機器機械地聯接在一起的機械設備稱為機組。●零件是構成機器的不可拆的制造單元。零件包括通用零件和專用零件。●部件是機器中由若干零件裝配在一起構成的具有獨立功能的部分，如軸承、聯軸器、離合器、減速器等。三、構件和機構1．構件●構件是構成機器的各個相對獨立的運動單元。構件可以是單一的零件，也可以是由若干個零件剛性連接而成，但剛性連接的零件之間不能產生相對運動。例如，汽車發動機連桿（圖0-4）就是由連桿小端、連桿大端、桿身、襯套、軸瓦、螺栓與螺母等零件剛性連接而成的，并形成獨立的運動構件。圖0-4連桿構件2．機構●機構是指兩個或兩個以上的構件通過活動聯接以實現規定運動的構件組合。或者說，機構是具有確定的相對運動構件的組合體，是用來傳遞運動和力的構件系統。復雜的機器由多種機構構成，而簡單的機器可能只含有一種機構。例如，圖0-5所示的曲柄壓力機中，其傳動部分由V帶及帶輪組成的帶傳動機構、小齒輪和大齒輪組成的齒輪傳動機構、曲軸和連桿及滑塊組成的曲柄滑塊機構等構成，它們協同作用，將電動機的等速轉動變換為凸模的直線沖壓運動。a）曲柄壓力機結構圖b）機構運動簡圖圖0-5曲柄壓力機結構圖與機構運動簡圖如果僅從結構和運動的角度來分析，機構與機器之間并無區別，因此，可將機構和機器總稱為機械。四、機械在社會發展中的作用機械是社會發展文明程度的標志和助推器。機械工業是為國民經濟提供裝備的基礎產業，將隨著科學技術的發展而發展。在國民經濟的各個領域中，其發展水平均與機械的科技水平相適應。同時，某些機械的發明和完善，又會導致新技術和新產業的出現和發展。例如，大型動力機械的制造成功，促成了電力系統的建立；機車的發明導致了鐵路工程和鐵路事業的興起；內燃機、燃氣輪機、火箭發動機等的發明和進步，以及飛機和航天器的研制成功導致了航空、航天事業的興起；高壓設備的發展導致了許多新型合成化學工程的成功等。不斷創新是機械制造與發展的關鍵，研制新的機械產品的目的是為了增加生產，提高勞動生產率。未來，新的機械產品的研制將以降低資源消耗，發展潔凈的再生能源，治理、減輕以至消除環境污染作為主要目標。同時，現代機械工業可以創造出越來越精巧和越來越復雜的機械，將使人類的許多幻想成為現實。隨著新興的電子計算機硬件、軟件科學的發展，人類創造出了許多人工智能器件，幫助人類創造出許多更神奇的智能機械，并代替人類的雙手作更多、更精巧、更復雜的工作。三、學生自主學習活動1．相互討論機器的特征和組成。2．同學搶答說出自己遇到的機械，看誰說的多。3．智力搶答活動：一個同學說出一個機械，其他同學搶答，說明該機械是否是機器，看誰說得準確并且多。四、教學重點與難點1．重點：機械的分類、機器的特征和機器的組成。2．難點：構件與機構的區別。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案二一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容第一單元桿件的靜力分析模塊一力的概念與基本性質一、靜力學概述●平衡是指物體相對于地面保持靜止或保持勻速直線運動狀態，它是物體機械運動的一種特殊形式。靜力學研究的基本內容可歸結為以下幾個方面：（1）物體的受力分析。（2）力系的簡化。（3）力系的平衡條件。二、力的概念●力是物體間的相互作用，這種作用使物體的運動狀態發生改變或使物體產生變形。力對物體的作用效果有兩種情形：一是使物體的運動狀態發生變化，這一效應稱為力的運動效應；二是使物體發生變形，這一效應稱為變形效應。力對物體的作用效應，由力的大小、方向和作用點的位置所決定，這三個因素稱為力的三要素。在力的三個要素中，任何一個要素改變時，力的作用效果就會改變，如圖1-1所示。圖1-1力的作用效果力是一個有大小和方向的矢量，在國際單位制中，力的單位用N（牛）或kN（千牛）表示。力的三要素可用有向線段表示，如圖1-2所示。箭頭的指向表示力的方向；線段的起點（箭尾）或終點（箭頭）表示力的作用點；線段的長度（按一定比例畫出）表示力的大小。圖1-2力的表示三、剛體的概念●受力后幾何形狀及尺寸均不發生任何變化的物體，稱為剛體。在靜力學中，當研究物體的運動效應時，可將物體看成剛體；在材料力學研究時，當研究物體的變形效應時，就不能將物體看成剛體，而是看成“變形體”。四、力的基本性質力的基本性質由靜力學公理來說明。靜力學公理是整個靜力學的基礎，反映了力所遵循的客觀規律，是進行構件受力分析、研究力系簡化和力系平衡的理論依據。1．二力平衡公理二力平衡公理（或二力平衡條件）：作用在剛體上的兩個力，使剛體處于平衡狀態的充分和必要條件是這兩個力作用在同一直線上，而且它們大小相等、指向相反，如圖1-4所示。二力平衡公理適用于剛體，對于變形體則不完全適用。圖1-4二力平衡公理圖示●只受兩個力作用且處于平衡狀態的構件稱為二力構件（或二力桿件）。二力構件的受力特點是：兩個力的作用線必在兩個力作用點的連線上，且等值、反向。圖1-6支架2．加減平衡力系公理加減平衡力系公理：在作用于剛體上的任一力系中，加上或減去一個平衡力系，不改變原力系對剛體的作用效果。利用加減平衡力系公理可以推導出力的可傳性原理，即作用于剛體上的力，可沿其作用線移至剛體上任一點而不改變其對剛體的作用效果。a）力F對剛體的作用b）剛體加平衡力系（F1，F2）后c）剛體減平衡力系（F，F2）后圖1-7推導力的可傳性示意圖力的可傳性原理只適用于剛體，而不適用于變形體。例如，在生活中用小車（圖1-8）運送物品時，無論在車后A點用力F推車，還是在車前同一直線上的B點用力F拉車，它們的作用效果都是一樣的。圖1-8力的可傳性應用3．力的平行四邊形法則力的平行四邊形法則：作用于剛體上同一點的兩個力，可以合成為一個力，合力的作用點仍在該點，合力的大小和方向由此二力為鄰邊所作平行四邊形的對角線來確定，如圖1-9所示。圖1-9力的平行四邊形法則圖示力的合成既可利用力的平行四邊形法則求得，也可利用力的三角形法則求得。推論：如圖1-10所示，如果剛體受到同一平面內互不平行的三個力作用而平衡時，則該三力的作用線必匯交于一點，此定理稱為三力平衡匯交定理。圖1-10三力平衡匯交定理4．作用與反作用公理作用與反作用公理：兩個物體間相互作用的力，總是大小相等、方向相反、沿同一直線，分別作用在兩個物體上。作用與反作用公理說明，力總是成對出現的，有作用力就有反作用力，二者永遠是同時存在，又同時消失。作用力與反作用力分別作用在兩個物體上，不能說成是一對平衡力。三、學生自主學習活動1．相互討論力的三要素。2．同學搶答說出自己遇到的剛體，看誰說的多。3．智力搶答活動：一個同學說出一個零件，其他同學搶答，說明該零件在運行中的受力狀態，看誰說得準確。四、教學重點與難點1．重點：力的三要素、力的平行四邊形法則、作用與反作用公理。2．難點：加減平衡力系公理。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案三一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容模塊二力矩、力偶、力的平移一、力矩力對物體除了具有運動效應外，有時還會產生轉動效應。力F使剛體繞某點O轉動的效應，不僅與力的大小成正比，而且與力至力的作用線的垂直距離成正比。由實踐經驗可知，加在扳手上的力越大，或者力的作用線距離中心O點越遠，就越容易轉動螺母。圖1-12扳手的力矩●在力學中，將物體的轉動中心稱為矩心，矩心到力的作用線的距離稱為力臂。●以力與力臂的乘積來度量力對物體的轉動效應，并稱為力對點之矩，簡稱力矩，記作MO（F）=±Fd力矩是一個代數量，其正、負號表示力矩的轉向，通常規定：力使物體產生逆時針方向轉動時，力矩為正；反之，力使物體產生順時針方向轉動時，力矩為負。力矩為零的條件是：力的作用線通過矩心。在國際單位制中，力矩的單位為牛·米（N·m），常用單位是千牛·米（kN·m）。二、力偶和力偶矩1．力偶●在力學中，將作用在同一物體上的兩個大小相等、方向相反、不共線的平行力稱為力偶，記作（F，F′）。圖1-13力偶實例2．力偶矩●力偶中兩個力所在的平面稱為力偶作用面，兩力作用線之間的垂直距離稱為力偶臂，用d表示。●力偶使物體轉動的方向稱為力偶的轉向，力偶對物體的轉動效應取決于力偶中的力與力偶臂的乘積，稱為力偶矩。記作M（F，F′）或M，即M（F，F′）=M=±Fd圖1-14平面力偶及其表示法力偶矩是一個代數量，其正、負號表示力偶矩的轉向，通常規定：力偶使物體產生逆時針方向轉動時，力偶矩為正；反之，力偶使物體產生順時針方向轉動時，力偶矩為負。力偶的三要素是力偶矩的大小、轉向和力偶的作用面，它們決定了力偶對剛體的作用效果。3．力偶的性質（1）力偶不能用一個力來代替。力偶必須用力偶來平衡。（2）力偶對其作用面內任意一點之矩恒等于力偶矩，而與矩心的位置無關，如圖1-15所示。圖1-15力偶中力對任一點的矩（3）凡力偶的三要素相同的力偶，則各個力偶之間相互等效，該性質也稱為力偶的等效性。由力偶的等效性可以得出：只要保持力偶矩的大小和轉向不變，力偶可以在其平面內任意移動，且可以同時改變力偶中力的大小和力臂的長短，而不改變力偶對物體的作用效果。力偶也可以用一帶箭頭的弧線表示，如圖1-16所示。圖1-16力偶的等效性和不同的表示方法三、力的平移定理力的平移定理是：作用在剛體上某點A的力F，可以將力F平行移動至任一指定點B，但需附加一個力偶矩M，附加的力偶矩M等于原力F對指定點B之矩，如圖1-17所示。圖1-17力的平移定理圖示力的平移定理可以解決此類問題。例如，在鉗工實習中，使用絲錐攻螺紋時，需要在錐柄兩端均勻地用力以形成一個力偶，而不允許單手施加力于錐柄一端（圖1-18b），因為這樣做容易使絲錐偏斜和折斷。另外，利用力的平移定理，也可以將同一平面內的一個力和一個力偶替換成一個力，這樣可以將一個復雜的平面力系簡化。a）正確操作b）錯誤操作圖1-18用絲錐攻螺紋四、功率與效率1．功率●功率是指物體單位時間（t）內所作的功(W)。功率用符號P表示，即P=W/t功率的單位是W（瓦），工程中常以kW（千瓦）為常用單位。在機器的銘牌中都標有機器的額定功率。額定功率是機器正常工作時的功率。（1）直線運動的功率公式對于直線運動來說，可用如下公式計算功率：P=當機器的功率一定時，力與速度成反比，速度越大，力越小；速度越小，力越大。例如，在進行金屬粗切削加工時，如果被切削材料較硬、背吃刀量（或切削深度）大，常選擇較低的切削速度，以獲得較大的切削力，否則就會使電動機過載甚至燒毀電動機。（2）回轉運動的功率公式對于回轉運動來說，可用如下公式計算功率：P=式中P——圓軸傳遞的功率，單位是kW；n——圓軸的轉速，單位是r/min。M——作用在輪軸上的外力偶矩，單位是N·m。當機器的功率一定時，轉矩與轉速成反比，轉速大時，轉矩變小；轉速小時，轉矩變大。例如，汽車爬坡時，需要較大的驅動力矩（或較大的牽引力），司機常采用低檔位的轉速，以便在一定功率的情況下獲得較大的牽引力。2．效率●輸入功率（P）的一部分用于克服有用阻力以完成指定的工作，該部分功率部分稱為有用功率（P有）。●輸入功率（P）中的另一部分要克服機械傳動中的無用阻力，該部分功率稱為無用功率（P無）。●機器工作時，輸出的有用功率與輸入功率（P）之比，稱為效率。效率總是小于1，效率用符號表示，其計算公式是：P=P有+P無=P有/P三、學生自主學習活動1．相互討論力偶的三要素。2．同學搶答說出自己遇到的受到力偶作用的物體，看誰說的多。3．智力搶答活動：一個同學說出一個零件，其他同學搶答，說明該零件在運行中的力矩狀態，看誰說得準確。四、教學重點與難點1．重點：力矩的轉向、力偶的三要素、力偶的性質。2．難點：力的平移定理。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案四一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容模塊三約束、約束力、力系和受力圖的應用一、約束與約束力●凡是對一個物體的運動或運動趨勢起限制作用的其他物體，都稱為這個物體的約束。●約束對物體的作用力稱為約束力。●與約束力相對應，使物體產生運動或運動趨勢的力，稱為主動力（在工程上又稱為載荷），如物體的重力、風力、壓力、零件的載荷等。二、常見的約束類型及其約束力的特點常見的約束類型有柔性約束、光滑接觸面約束、光滑圓柱鉸鏈約束、固定端約束等。1．柔性約束●柔性約束又稱為柔索約束，是由柔軟的繩索、鏈條、膠帶、鋼絲等構成。柔性約束對物體的約束力是沿著柔體的中心線背離被約束物體的拉力，如圖1-20所示。圖1-20柔性約束繩索、鏈條、膠帶、鋼絲等對物體的約束力作用在接觸點上，方向是沿著繩索、鏈條、膠帶等而背離物體。繩索、鏈條、膠帶、鋼絲等只承受拉力，不承受壓力。2．光滑接觸面約束●當兩個物體接觸面上的摩擦力與其他力相比很小，可忽略摩擦力時，可將接觸面看成是完全光滑的，這種約束稱為光滑面約束。例如，導軌與車輪接觸、齒輪與齒輪接觸、汽缸壁與活塞接觸等均可視為光滑接觸面約束。光滑接觸面約束只能阻止物體沿接觸點（或接觸面）公法線方向的運動，而不能限制物體沿接觸面切線方向的運動。因此，光滑接觸面約束力的作用方向是通過接觸點并沿著公法線，指向被約束物體，這種約束力也稱為正壓力。圖1-21光滑接觸面約束及其約束力3．光滑圓柱鉸鏈約束●兩個以上構件通過圓柱面接觸，構成只能繞銷軸回轉中心相對轉動，不能發生相對移動而構成的約束，稱為光滑圓柱鉸鏈約束。根據被連接物體的形狀、位置及作用進行分類，光滑圓柱鉸鏈約束可分為中間鉸鏈約束（兩個構件可作相對轉動）、固定鉸鏈支座約束（構件中一個固定在機架或基礎上）和活動鉸鏈支座約束（支座中有幾個圓柱滾子可沿某一方向滾動）。中間鉸鏈對物體的約束特點是：約束力在垂直于圓柱銷（或銷釘）軸線的平面內，約束力的作用線通過圓柱銷（或銷釘）的中心，大小和方向不確定，通常用通過圓柱銷（或銷釘）中心的兩個正交分力來表示。圖1-22中間鉸鏈約束的結構與受力分析如果光滑圓柱鉸鏈中有一構件與機架或基礎固定在一起時，則稱為固定鉸鏈支座約束。例如，門窗上的合頁、軸承中的軸等都是固定鉸鏈支座約束。圖1-23固定鉸鏈支座約束的結構與受力分析固定鉸鏈支座對物體的約束特點與中間鉸鏈約束相同。●如果將固定鉸鏈支座底部安裝若干滾子，并與支承面接觸，則構成活動鉸鏈支座約束（或稱滾軸支座）。活動鉸鏈支座對物體的約束特點是：約束力只能限制構件沿支承面垂直方向的移動，不能阻止物體沿支承面的運動或繞圓柱銷軸線的轉動，因此，活動鉸鏈支座的約束力通過圓柱銷中心，并垂直于支承面。活動鉸鏈支座約束常用于橋梁、屋架結構中。圖1-24活動鉸鏈支座約束的結構與受力分析4．固定端約束●固定端約束是指將物體的一端完全固定，使物體既不能移動又不能轉動的約束。固定端約束的構件可以用一端插入剛體內的懸臂梁來表示。固定端約束限制物體沿任何方向的移動和轉動，即物體既不能移動也不能轉動，完全被固定位置。固定端約束產生一個限制物體沿任何方向移動的約束力（或兩個正交分力）和一個限制轉動的約束力偶。例如，在車床上用卡盤夾緊的工件和固定在刀架上的車刀，它們被限制在約束處，不能沿任何方向移動與轉動。圖1-25固定端約束的結構與受力分析三、力系1．力系概述●一個物體或構件上有多個力（通常指兩個以上的力）作用時，則這些力就組成一個力系。如果各個力的作用線均在同一平面內時，則稱該力系為平面力系。如果各個力的作用線不在同一平面內時，則稱該力系為空間力系。如果各力的作用線相互平行，則稱該力系為平行力系。如果各個力的作用線既不全交于一點，也不全平行，則該力系稱為任意力系（或一般力系）。2．平面匯交力系●在平面力系中，如果各個力的作用線都匯交于同一點時，則稱為平面匯交力系。例如，某剛體上作用有一平面匯交力系F1、F2、F3和F4，根據力的可移性原理，首先將各力沿其作用線移至A點，然后連續應用力的三角形法則（或平行四邊形法則），將各個力首尾相接地畫出，即可求出其合力F。這就力的多邊形法則。圖1-26平面匯交力系合成的多邊形法則四、受力圖●受力圖是將被研究的物體從周圍物體中分離出來，并用簡明圖形表示出其所受的全部作用力的圖形。●被分離出來的物體稱為分離體。●確定作用在物體上的每一個力的作用位置和方向的分析過程稱為受力分析。畫受力圖的一般步驟是：（1）確定研究對象，解除約束，畫出分離體簡圖。（2）進行受力分析，分析出研究對象上的主動力與約束力，明確受力物體與施力物體。（3）在分離體解除約束處，畫出作用在研究對象上的全部主動力與約束力。（4）注意作用力與反作用力的符號區別，通常采用加注角標“′”進行區分。【例1．1】將重量為G的圓柱形滾子放置在光滑斜面上，用平行于光滑斜面的繩索將圓柱形滾子拉住，使圓柱形滾子靜止在光滑斜面上，如圖1-27所示。試畫出圓柱形滾子的受力圖。圖1-27圓柱滾子受力圖及受力分析解：（1）取分離體。以圓柱形滾子為研究對象，畫出其輪廓圖。（2）畫出主動力。圓柱形滾子所受的主動力是重力G，其作用在圓柱形滾子中心O，方向是鉛垂向下。（3）畫出約束反力。圓柱形滾子在A點為柔性約束，其所受約束力是FT，并沿繩索中心線離開圓柱形滾子；圓柱形滾子在B點為光滑接觸面約束，其所受約束力是FN，并沿接觸面公法線指向圓柱形滾子。【例1．2】圖1-28所示是一個起重支架，在AB桿的B處作用一力P，如果各桿的重量忽略不計，試分別畫出桿CD及桿AB的受力圖。圖1-28起重支架受力圖及受力分析解：（1）本題中的支架是一個物體系統，作受力分析時，應從受力簡單的物體著手。桿CD受力簡單，僅在C、D兩處各受一力作用，根據二力平衡公理，FC、FD兩力作用線應沿CD連線，且大小相等，方向相反。（2）畫出桿AB的輪廓圖，然后畫出桿AB受到的主動力P，最后分別在A、C兩處畫出約束反力。桿AB在C處所受的約束力是FC′，它是FC的反作用力；桿AB在A處是固定鉸鏈支座，所受的約束力是一對正交分力。﹡模塊四平面力系的平衡方程及應用一、力在直角坐標軸上的投影如果力F作用在Oxy平面內（圖1-29），過力F的兩端點A、B分別作x軸的垂線，則兩垂足a、b間的線段ab稱為力F在x軸上的投影。同理，過力F的兩端點A、B分別作y軸的垂線，則可得到力F在y軸上的投影a1b1。圖1-29力在直角坐標軸上的投影力在某一坐標軸上的投影有正、負號規定，其正、負符號規定是：當力的起點a（或a1）到終點投影b（或b1）的指向與坐標軸正向一致時為正，反之則為負。在圖1-29中，如果力F與x軸所夾銳角為，則有Fx=FcosαFy=Fsinα反過來，如果已知力F在x、y軸上的投影分別為Fx、Fy，則力F的大小和方向分別是：tanα=式中α為力F與x軸所夾的銳角。力F的指向由Fx、Fy的符號確定。二、合力投影定理合力在某一坐標軸上的投影，等于力系中各力在同一坐標軸上投影的代數和。這一結論稱為合力投影定理。對于平面匯交力系，可由合力投影定理求得合力FR在x、y軸上的投影，進而由下列公式求得合力的大小和方向tanα=QUOTE=QUOTE式中α為合力FR與x軸所夾的銳角。合力FR的指向由QUOTE、QUOTE的符號確定。【例1．3】已知F1=200N，F2=300N，F3=100N，F4=250N，求圖1-30所示平面匯交力系的合力。圖1-30例題1．3圖解：先計算合力FR在x、y軸上的投影FRx=F1cos30°-F2cos60°-F3cos45°+F4cos45°=200×-300×-100×QUOTE+250×=129.3（N）FRy=F1sin30°+F2sin60°-F3sin45°-F4sin45°=200×+300×-100×-250×=112.3（N）然后再計算合力FR的大小和方向FR==171.3（N）tanα==0.8685即α=40.97°，由于合力FR在各坐標軸上的投影均為正值，所以合力FR的指向如圖1-30所示。三、平面匯交力系的平衡方程平面匯交力系平衡的充分和必要條件是：該力系的合力等于零，用矢量式表示是：F=如果采用直角坐標系表示，則平面匯交力系平衡的充分和必要條件是：該力系中所有的力在x、y兩坐標軸上投影的代數和分別等于零，即QUOTE=0QUOTE=0四、平面任意力系的平衡方程對于平面任意力系來說，如果采用直角坐標系表示，平面任意力系的平衡方程可表述為：力系中各力在坐標軸上投影的代數和等于零，且各力對平面內任意一點的力矩的代數和等于零，即。QUOTE=0QUOTE=0從平面任意力系的平衡方程可以看出，平面匯交力系是平面任意力系的一種特殊情況，力矩平衡方程自然滿足，因此，平面匯交力系的獨立平衡方程只有兩個。三、學生自主學習活動1．相互討論常見約束類型及其約束力的特點。2．同學們根據生活中的實例，分析物體的受力情況，看誰分析得準。四、教學重點與難點1．重點：常見約束類型及其約束力的特點、平面匯交力系。2．難點：受力圖。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案五一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容第二單元直桿的基本變形模塊一桿件基礎知識1．桿件與直桿的概念●桿件是指縱向（長度方向）尺寸遠大于橫向（垂直于長度方向）尺寸的構件。桿件有兩個主要幾何要素，即橫截面和軸線。橫截面是指垂直于桿件軸線方向的截面；軸線是指各橫截面形心（幾何中心）的連線。●桿件的軸線是直線時，則桿件稱為直桿。2．桿件所受載荷的種類●載荷是材料（或桿件）在使用過程中所承受的外力。根據載荷作用性質的不同，載荷分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。根據載荷作用形式的不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉載荷等。●靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。●沖擊載荷是指在短時間內以較高速度作用于材料（或桿件）上的載荷。●交變載荷是指隨時間作周期性變化的載荷。3．桿件的變形種類●變形是指材料（或桿件）受到力的作用而產生幾何形狀和尺寸的變化。桿件的基本變形形式主要有拉伸（或壓縮）變形、剪切變形、扭轉變形和彎曲變形。4．桿件的強度與剛度●強度是指材料（或桿件）受力時抵抗破壞的能力。●剛度是指材料（或桿件）抵抗變形的能力。●穩定性是指桿件保持原有平衡形式的能力，即桿件在使用過程中不產生失穩現象。為了使桿件正常工作，桿件必須滿足三個基本要求：第一，桿件應具有足夠的強度，保證桿件在載荷作用下不發生破壞；第二，桿件應具有足夠的剛度；第三，桿件應具有足夠的穩定性。圖2-1桿件的基本變形形式5．變形固體及其基本假設桿件統稱為變形固體。對于變形固體，可以做如下假設：（1）均勻連續性假設。即認為桿件的整個體積內都連續不斷地充滿著物質，而且各處的力學性能都相同。（2）各向同性假設。即桿件在各個方向具有相同的力學性能。●如果材料沿不同方向呈現不同的力學性能，則稱為各向異性材料。模塊二直桿軸向拉伸與壓縮時的變形與應力分析一、直桿軸向拉伸與壓縮的概念拉伸變形（或壓縮變形）的特點是：作用在桿件上的外力（或外力的合力）的作用線與桿件軸線重合。當作用在桿件上兩端面的外力作用線方向離開桿件端面時，桿件發生拉伸變形，桿件主要是軸向伸長，同時桿件橫截面尺寸縮小；當作用在桿件上兩端面的外力作用線方向指向桿件端面時，桿件發生壓縮變形，桿件主要是縱向收縮，同時桿件橫截面尺寸增大。圖2-4拉伸與壓縮●通常將產生軸向拉伸變形的桿件稱為拉桿，將產生軸向壓縮變形的桿件稱為壓桿。二、內力、截面法、應力和應變的概念1．內力●內力是桿件內部產生阻止變形的抗力，外力是作用于桿件上的載荷和約束力。內力與桿件的強度、剛度和穩定性等密切相關。2．截面法●截面法是求內力的基本方法，它是將受外力作用的桿件假想地切開，用以顯示內力的大小，并以平衡條件確定其合力的方法。如果求桿件m—m截面上的內力，可用一假想平面將桿件在m—m處切開，將桿件分成左右兩部分。右部分桿件對左部分桿件的作用力用FN表示，選擇桿件左部分為研究對象，列平衡方程：FN-F=0則內力FN=F。圖2-5受拉桿件的內力與應力3．應力●應力是桿件在外力作用下，其截面上單位面積上的內力。應力分為正應力和切應力。其中正應力是沿桿件橫截面法向的應力，用“R”表示；切應力是沿桿件橫截面切向的應力，用“”表示。桿件軸向拉伸和壓縮時，橫截面上的應力是均勻分布的，其計算公式是：R=式中R——桿件橫截面上的正應力，單位是MPa；FN——桿件橫截面上的內力，單位是N；A——桿件的橫截面面積，單位是mm2。應力的單位是Pa(帕)，1Pa=1N/m2。在工程實際中常用MPa(兆帕)，1MPa=106Pa=1N/mm2。正應力的正、負號規定是：拉應力為正，壓應力為負。4．應變●應變是桿件在外力作用下其內部某一點的變形程度。桿件在拉伸（或壓縮）時，其變形主要表現為縱向伸長（或縮短）。假設等截面桿件原長是，橫截面面積是A。在軸向拉力F的作用下，桿件的長度由增大為，則桿件的縱向伸長是：圖2-6桿件的縱向伸長但反映的是桿件的總變形量，說明不了桿件的變形程度。因此，為了衡量桿件沿軸向的變形程度，引入線應變。●線應變是桿件沿軸向單位長度的伸長量，即是無量綱的量，其正、負號與的正負號一致，即拉伸變形時為正，壓縮變形時為負。三、學生自主學習活動1．相互討論直桿軸向拉伸或壓縮的情形。2．同學們根據生活中的實例，分析物體受到載荷作用的性質，看誰分析得準。四、教學重點與難點1．重點：桿件所受載荷的種類、桿件的變形種類、應力與應變。2．難點：截面法求內力。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案六一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容模塊三材料的力學性能●材料的力學性能又稱為機械性能，是指材料在外力作用下所表現出來的性能。材料的力學性能指標有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。材料包括塑性材料和脆性材料兩類。塑性材料包括低碳鋼、合金鋼、純銅與加工銅、純鋁與變形鋁合金等，它們在斷裂時可產生較大的塑性變形；脆性材料包括鑄鐵、鑄銅、鑄鋁、陶瓷、混凝土、石材等，它們在斷裂時塑性變形很小。一、低碳鋼拉伸時的力學性能1．低碳鋼拉伸試驗拉伸試樣通常采用圓形橫截面比例拉伸試樣，一種是長拉伸試樣，其原始標距=10；另一種是短拉伸試樣，其原始標距L0=5，如圖2-7所示。圖2-7拉伸試樣圖2-8液壓萬能拉伸試驗機拉伸試驗的主要設備是液壓萬能拉伸試驗機（圖2-8），試驗前將拉伸試樣裝夾在拉伸試驗機上，然后逐漸施加拉伸載荷，直到將拉伸試樣拉斷為止。在試驗過程中，拉伸試驗機可連續地記錄試驗過程，并以力（F）-伸長（）曲線形式，或者是應力（R）-應變（）曲線形式記錄試驗過程，如圖2-9所示。a）F-曲線b）R-曲線圖2-9退火低碳鋼的F-曲線和R-曲線從退火低碳鋼的力（F）-伸長（）曲線圖可以看出，拉伸試樣從開始拉伸到斷裂要經過彈性變形階段、屈服階段、變形強化階段、縮頸與斷裂四個階段。2．低碳鋼的強度指標●強度是材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。強度指標主要有:屈服強度（一般以ReL表示）、規定總延伸強度（如）、抗拉強度（Rm）等。（1）●屈服強度是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續伸長(變形)時的應力。屈服強度包括上屈服強度（ReH）和下屈服強度（ReL），由于下屈服強度的數值較為穩定，通常將下屈服強度作為材料的屈服強度。屈服強度的單位是MPa（或N/mm2）。屈服強度ReL可用下式計算：ReL=FsL/So(MPa或N/mm2)式中：FsL──拉伸試樣屈服時的下拉伸力，單位是N；So──拉伸試樣的原始橫截面積，單位是mm2。（2）●規定總延伸強度是指試樣總延伸率等于規定的引伸計標距（Le）百分率時對應的應力。規定總延伸強度用符號“R”并加角標“t和規定的總延伸率”表示。例如，表示規定總延伸率為0.5%時的應力，并將此值作為沒有產生明顯屈服現象的金屬材料的屈服強度。屈服強度是工程技術上重要的力學性能指標之一，也是大多數機械零件和結構件選材和設計的依據。（3）●抗拉強度是指拉伸試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。抗拉強度用符號Rm表示，單位是MPa（或N/mm2）。Rm可用下式計算：Rm=Fm/So(MPa或N/mm2)式中Fm──拉伸試樣承受的最大載荷，單位是N；So──拉伸試樣原始橫截面積，單位是mm2。Rm是表征金屬材料由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是表征金屬材料在靜拉伸條件下最大承載能力。對于塑性金屬材料來說，拉伸試樣在承受最大拉應力Rm之前，變形是均勻一致的。但超過Rm后，金屬材料開始出現縮頸現象，即產生集中變形。3．低碳鋼的塑性指標●塑性是指金屬材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。表征材料塑性大小的主要指標是斷后伸長率和斷面收縮率。（1）●斷后伸長率是指拉伸試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，用符號A或A11.3表示。A或A11.3可用下式計算：A或A11.3=(-)/×100%式中──拉斷拉伸試樣對接后測出的標距長度，單位是mm；──拉伸試樣原始標距長度，單位是mm。對于長圓形橫截面比例拉伸試樣來說，其斷后伸長率用符號A11.3表示；對于短圓形橫截面比例拉伸試樣來說，其斷后伸長率用符號A表示。（2）●斷面收縮率是指圓形橫截面比例拉伸試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。斷面收縮率用符號“Z”表示。Z值可用下式計算：Z=(S0-SU)/S0×100%式中S0──拉伸試樣原始橫截面積，單位是mm2；SU──拉伸試樣斷口處的橫截面積，單位是mm2。塑性好的金屬材料不僅能順利地進行鍛壓、軋制等成形工藝，而且在使用過程中如果發生超載，則由于塑性變形，可以避免或緩沖突然斷裂。所以，大多數機械零件除要求具有較高的強度外，還須有一定的塑性。目前，金屬材料室溫拉伸試驗方法推廣采用GB/T228-2010新標準。4．卸載規律與冷變形強化對于低碳鋼等塑性金屬材料，當拉伸試樣被加載到強化階段內的某一點d時，將載荷逐漸減小到零（圖2-10a），可以看出卸載過程中R-曲線將沿著與Op近似平行的直線dh回到水平軸上。這說明卸載過程中，應力與應變之間按直線規律變化，這就是卸載規律。試樣卸載后，彈性應變hg消失，塑性應變Oh將被殘留下來。如果試樣卸載后在短期內再加載，則其應力和應變將基本上沿著卸載時的同一直線hd上升，直到恢復開始卸載時的應力為止，再往后加載時，將沿著原來的曲線變化（圖2-10b）。比較Opdmk曲線和hdmk曲線可知，試樣在強化階段內加載后再卸載，試樣的規定總延伸強度得到提高，而塑性卻有所下降，這種現象稱為冷變形強化。圖2-10卸載規律和冷變形強化二、低碳鋼壓縮時的力學性能縮試樣通常采用圓截面（適用金屬材料）或方截面（適用混凝土、石料等非金屬材料）的短柱體。圖2-11壓縮試樣圖2-12退火低碳鋼在壓縮與拉伸時的R-曲線圖2-12所示是退火低碳鋼壓縮試驗與拉伸試驗的R-曲線。比較兩者的R-曲線可以看出：在屈服階段之前，兩曲線是重合的，表明低碳鋼壓縮時的規定塑性延伸強度、規定總延伸強度、屈服強度、彈性模量均與拉伸時相同。進入強化階段后，壓縮試樣越壓越扁，先是壓成鼓形，最后壓成餅形，但壓縮試樣不會斷裂，測不出其抗壓強度極限。三、鑄鐵拉伸與壓縮時的力學性能圖2-13所示是鑄鐵壓縮試驗與拉伸試驗的R-曲線。比較兩者的R-曲線可以看出：鑄鐵在拉伸過程中，試樣從開始拉伸至拉斷，應力和應變都很小，沒有明顯的屈服階段和縮頸現象，斷口垂直于試樣軸線，即斷裂是發生在最大拉應力的作用面上。斷裂時的應變僅為0.4～0.5%，說明鑄鐵是典型的脆性材料。斷裂時R-曲線上的最高點所對應的應力是抗拉強度。圖2-13灰鑄鐵拉伸與壓縮時的R-曲線鑄鐵在壓縮試驗過程中，在R-曲線中沒有明顯的直線部分，表明應力與應變的正比例關系基本不存在，但鑄鐵在壓縮時其抗壓強度遠大于抗拉強度，鑄鐵常用于制作受壓桿件。另外，鑄鐵壓縮破壞時，斷口與軸線大致成45°傾角，這是因為在45°斜截面上存在最大切應力，從而造成鑄鐵在此截面上發生斷裂。四、金屬材料的硬度●硬度是金屬材料抵抗外物壓入的能力。一般來說，金屬材料的硬度值愈高，零件的耐磨性亦愈高。常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)和洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)。1．布氏硬度●布氏硬度是用一定直徑的硬質合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定的保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據壓痕直徑d計算其硬度值的方法。布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的。試驗時只要測量出壓痕直徑d(mm)，可通過查布氏硬度表得出HBW值。布氏硬度值標注在硬度符號“HBW”前面。除了保持時間是10～15s的試驗條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應在符號“HBW”后面用相應的數字寫明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間，如300HBW10/1000/30表示用直徑D=10mm的硬質合金球，在1000kgf(9.807kN)試驗力作用下，保持30s測得的布氏硬度值是300；400HBW5/750表示用直徑D=5mm的硬質合金球，在750kgf(7.355kN)試驗力作用下保持10～15s測得的布氏硬度值是400。a）布氏硬度試驗原理圖b）布氏硬度計圖2-14布氏硬度試驗原理圖及設備布氏硬度適合于測定非鐵金屬、鑄鐵及經退火、正火、調質處理后的各類鋼材。2．洛氏硬度●洛氏硬度是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或硬質合金球），壓入試樣表面（圖2-15），根據試樣殘余壓痕深度增量h來衡量試樣的硬度大小。如果殘余壓痕深度h增量小，則金屬材料的硬度高；反之，則金屬材料的硬度低。a）洛氏硬度試驗原理圖b）洛氏硬度計圖2-15洛氏硬度試驗原理圖及設備洛氏硬度計采用不同的壓頭和載荷，并對應不同的硬度標尺，每種標尺由一個專用字母表示，標注在符號“HR”后面，如HRA、HRB、HRC等。測定的硬度數值寫在符號“HR”的前面，符號“HR”后面寫使用的標尺，如55HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬度值為55。洛氏硬度主要用于直接檢驗成品或半成品的硬度，特別適合檢驗經過淬火的零件。五、金屬材料的韌性●韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。金屬材料的韌性大小通常采用吸收能量K（單位是焦爾J）來衡量。1．夏比擺錘沖擊試樣夏比擺錘沖擊試樣主要有V型缺口試樣和U型缺口試樣兩種。帶V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣；帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣。2．夏比擺錘沖擊試驗方法夏比擺錘沖擊試驗方法是在擺錘式沖擊試驗機上進行的，如圖1-10所示。a）夏比沖擊試驗原理b）手動沖擊試驗機圖2-16夏比沖擊試驗原理圖及手動沖擊試驗機材料的吸收能量K可以從試驗機的刻度盤上直接讀出。它是表征金屬材料韌性的重要指標。顯然，沖擊吸收能量K大，表示金屬材料抵抗沖擊試驗力而不破壞的能力越強，即韌性越好。吸收能量K對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質量、宏觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質量。3．沖擊吸收能量與溫度的關系沖擊吸收能量K對溫度非常敏感。●當沖擊試驗溫度降至某一數值時，沖擊吸收能量K急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為冷脆轉變。●金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收能量K急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。金屬材料的韌脆轉變溫度越低，說明金屬材料低溫抗沖擊性越好。例如，非合金鋼的韌脆轉變溫度約為-20℃，因此，在非常寒冷(室外溫度低于-20℃)的地區使用非合金鋼構件（如鋼軌、車輛、橋梁、輸運管道、電力鐵塔等）時，易發生脆斷現象。所以，在選用金屬材料時，一定要考慮金屬材料服役條件的最低環境溫度必須高于金屬材料的韌脆轉變溫度。圖2-17吸收能量-溫度曲線三、學生自主學習活動1．相互討論拉伸試驗和壓縮試驗一般采用什么樣的試樣？2．同學們根據生活中的實例，分析物體或零件的主要強度指標是什么？看誰分析得準。四、教學重點與難點1．重點：低碳鋼的強度指標和塑性指標。2．難點：卸載規律與冷變形強化。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案七一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容模塊四直桿軸向拉伸與壓縮時的強度計算一、許用應力與安全系數●工程上將材料因強度不足而失效時的最大應力稱為極限應力。對于脆性材料來說，其失效表現為斷裂破壞，所以脆性材料的抗拉強度就是極限應力；對于塑性材料來說，當應力達到屈服強度時，材料將產生顯著的變形而喪失工作能力，所以塑性材料的屈服強度（如）就是極限應力。在構件實際使用過程中，應對其制造材料的極限應力除以一個大于1的系數（安全系數），并以此作為材料安全工作時允許承受的最大應力，這個最大應力就是材料的許用應力。許用應力常用符號［R］表示。對于塑性材料來說，其［R］=屈服強度/；對于脆性材料來說，其［R］=抗拉強度/。對于塑性材料，其安全因數=1.2～2.5；對于脆性材料，其安全因數=2.0～3.5。二、直桿軸向拉伸與壓縮時的強度條件為了保證軸向拉桿（或壓桿）具有足夠的強度，要求桿件中最大工作應力Rmax小于材料在拉伸（或壓縮）時的許用應力［R］，因此軸向拉桿（或壓桿）的強度條件是：Rmax=≤［R］式中FN和A分別是危險截面上的內力和橫截面面積。應用軸向拉桿（或壓桿）的強度條件可以解決軸向拉桿（或壓桿）的強度校核、截面尺寸選擇、確定許用載荷等問題。【例2．1】如圖2-18所示，有一起重吊環采用低碳鋼制造，其屈服強度=360MPa，安全系數n=1.7，求起重吊環連接螺栓的最小直徑。圖2-18起重吊環解：起重吊環的許用應力是：［R］=MPa由公式Rmax=≤［R］和連接螺栓的最小截面積得mm答：起重吊環連接螺栓的最小直徑是17.32mm。三、應力集中等截面直桿在拉伸（或壓縮）時，橫截面上的正應力是均勻分布的。但是，工程中由于結構和工藝上的需要，桿件上常開有鍵槽、切口、油孔、鉆孔、螺紋及凸肩等，從而使桿件的截面尺寸發生突變。實驗和理論分析表明，在桿件截面突變處的橫截面上，應力分布是不均勻的。●由于桿件截面的突變導致的局部應力驟增的現象，稱為應力集中。大量實踐表明，應力集中使桿件破壞的危險性增加。模塊五連接件的剪切與擠壓一、剪切1．剪切變形●當構件的某一截面兩側受到一對大小相等、方向相反、作用線相距很近的橫向外力作用時，構件的相鄰兩部分將沿外力作用線方向發生相對錯動，這種變形稱為剪切變形。圖2-20受剪切鉚釘發生相對錯動的截面稱為剪切面，剪切面平行于外力的方向，位于兩個反向的外力之間。2．切應力●剪切面上必有一個與外力F大小相等、方向相反的內力，這個與截面相切的內力稱為剪力，用符號FS表示。由平衡方程，可得到剪力的大小：FS=F圖2-21鉚釘連接件受力分析圖●切應力是表示沿剪切面上應力分布的程度，即單位面積上所受到的剪力。機械工程上一般認為剪力在剪切面上是均勻分布的。因此，切應力可按下列公式計算：式中FS為剪切面上的剪力，A為剪切面的面積。3．剪切強度條件為了保證連接件在工作時不發生剪切破壞，必須使連接件剪切面上的工作切應力不超過材料的許用切應力，即連接件的剪切強度條件是：式中是材料的許用切應力，其值可根據試驗得到的抗剪強度，再除以安全因數獲得。連接件的剪切強度條件同樣可以解決連接件強度的校核、截面尺寸選擇和確定許可載荷等問題。【例2．2】如圖2-22所示，已知鋼板厚度t=10mm，其剪切強度=300MPa。如果用沖床將鋼板沖出直徑=25mm的孔，試分析最小需要多大的沖剪力？圖2-22鋼板沖孔示意圖解：鋼板沖孔過程實際上是鋼板剪切破壞過程，因此，必須使孔剪切面上的最大切應力大于或等于材料的剪切強度。在此問題中，剪切面是圓柱形側表面，如圖2-22b所示。剪切面的面積是：A=能沖出孔的條件是：即FS≥·A=·=300×10×25=2.36×105(N)=236(kN)答：沖孔所需要的最小沖剪力是236(kN)。二、擠壓1．擠壓變形●螺栓、鉚釘等連接件在外力作用下發生剪切變形的同時，在連接件與被連接件的接觸面上互相壓緊，會產生局部塑性變形，甚至產生壓潰破壞的現象，稱為擠壓變形。圖2-23螺栓擠壓變形2．擠壓應力擠壓面上單位面積所受到的擠壓力，稱為擠壓應力，擠壓應力用符號Rbc表示，其表達式是：式中Fbc是擠壓力，擠壓力與擠壓面積相互垂直；Abc為擠壓面積。3．擠壓強度條件為了保證連接件在工作時不發生擠壓破壞，必須使連接件的工作擠壓應力Rbc不超過材料的許用擠壓應力，即連接件的擠壓強度條件是：接件的擠壓強度條件同樣可以解決連接件強度的校核、截面尺寸選擇和確定許可載荷等問題。【例2．3】圖2-24所示是螺栓連接，已知鋼板厚度t=10mm，螺栓的許用切應力=100MPa，許用擠壓應力=200MPa，F=28kN。試選擇螺栓的直徑尺寸。圖2-24螺栓連接中螺栓尺寸的核算解：（1）求剪力FS和擠壓力Fbc。螺栓的破壞可能沿著m-m截面被剪斷以及鋼板孔壁間會產生擠壓變形，采用截面法可求得FS=Fbc=F=28kN（2）按剪切強度條件計算螺栓直徑d，由得A=（3）按擠壓強度條件計算螺栓直徑d，由得如果要螺栓同時滿足剪切強度和擠壓強度的要求，則螺栓的最小直徑d=19mm。三、學生自主學習活動1．相互討論拉伸與壓縮的強度條件、剪切與擠壓的強度條件。2．同學們根據生活中的實例，分析物體或零件的應力集中現象，看誰分析得準。四、教學重點與難點1．重點：拉伸與壓縮的強度條件、剪切與擠壓的強度條件。2．難點：應力集中現象。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案八一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容模塊六圓軸扭轉、直梁彎曲和組合變形一、圓軸扭轉1．扭轉變形●構件受到作用面與軸線垂直的外力偶作用時，構件各橫截面繞軸線發生相對轉動的現象，稱為扭轉變形。a）b）c）圖2-25扭轉變形圓軸扭轉變形的受力特點是：在與圓軸軸線垂直的平面內受到大小相等、方向相反、作用面垂直于軸線的力偶作用。圓軸扭轉變形的特點是：圓軸各橫截面繞軸線發生相對轉動，但圓軸軸線始終保持直線。2．扭矩任取一段作為研究對象，根據力偶只能與力偶平衡的性質，C截面上的內力系必須合成為一個力偶才能與外力偶MA平衡。橫截面上的內力偶矩MT稱為扭矩。如果取左段軸（圖2-26b）為研究對象，由平衡方程，得MT-MA=0，MT=MA圖2-26受扭圓軸扭矩分析圖如果取右段軸為研究對象，求得的同一截面的扭矩大小相等，轉向則相反，如圖2-26c所示。為了使取左、右兩段軸求得的同一截面的扭矩符號相同，通常采用右手定則確定扭矩的正負號：用右手四指沿扭矩的轉向握著軸，大拇指的指向（扭矩的方向）背離截面時，扭矩為正；反之，扭矩為負，如圖2-27所示。圖2-27確定扭矩方向示意圖3．圓軸扭轉的應力圓軸扭轉變形時，各橫截面繞軸線相對轉動，橫截面上只有切應力，切應力的方向垂直于半徑，且沿半徑線性分布，切應力指向與扭矩的轉向一致。圓軸扭轉變形時，其橫截面圓心處的切應力為零，圓周邊緣上各點的切應力最大，同一圓周上各點的切應力相等。圖2-28實心圓軸和空心圓軸的切應力分布圖4．提高圓軸抗扭能力的有效措施（1）合理選用圓軸的截面尺寸。（2）合理改善受力情況，降低最大扭矩。二、直梁彎曲1．彎曲變形●桿件受到垂直于軸線的外力或作用面在軸線所在平面內的外力偶作用時，桿件的軸線將由直線變為曲線，這種變形稱為彎曲變形。●以彎曲變形為主的構件稱為梁。●當外力或外力偶作用在梁的縱向對稱面內時，梁變形后的軸線為平面曲線，這種彎曲稱為平面彎曲。圖2-30平面彎曲變形2．梁的基本形式機械工程中，通過對支座的簡化，可將梁分為簡支梁、懸臂梁和外伸梁三種形式。圖2-31梁的基本形式●簡支梁是指梁的一端是固定鉸支座，另一端是活動鉸支座。●懸臂梁是指梁的一端固定，另一端自由的梁。●外伸梁是指簡支梁的一端或兩端伸長于支座以外，并在外伸端有載荷作用。3．梁的內力確定梁的內力可采用截面法。為了確定任一截面m-m的內力，首先求出梁的支座約束力FA和FB，然后將梁在截面處截成兩段（圖2-32b）。如果取左段梁為研究對象，由于整個梁是平衡的，它的任一部分也處于平衡。由左段梁的平衡條件可知，在m-m截面上必然存在兩個內力分量：剪力和彎矩。圖2-32簡支梁內力分析圖如果取右段為研究對象，同樣可求出m-m截面的剪力與彎矩，且與取左段梁求出的剪力與彎矩等值、反向。為了使取左段梁或右段梁獲得的同一截面的剪力與彎矩，不僅大小相等，而且符號相同，根據梁的變形情況，對剪力、彎矩的符號規定如下：在梁橫截面處取微段梁，凡使微段梁產生左側向上、右側向下相對錯動變形的剪力為正（圖2-33a），反之為負（圖2-33b）；凡使微段梁產生上凹下凸彎曲變形的彎矩為正（圖2-34a），反之為負（圖2-34b）。按此規定，正的剪力使微段梁產生順時針方向轉動。如果將梁設想成由無數縱向纖維所組成，正的彎矩使梁下側的縱向纖維受拉，上側的縱向纖維受壓。a）b）a）b）圖2-33剪力的正負號規定圖2-34彎矩的正負號規定4．純彎曲時梁橫截面上的正應力●如果梁的各截面只有彎矩而無剪力時，此類彎矩變形稱為純彎曲。梁純彎曲時，梁的橫截面上只有正應力，沒有切應力。如果將梁設想成由無數縱向纖維所組成，梁的下部纖維受拉而伸長，梁的上部纖維受壓而縮短，在受拉區和受壓區之間存在一層既不伸長也不縮短的縱向纖維層，此層稱為中性層。中性層與橫截面的交線稱為中性軸。梁純彎曲變形時，梁的橫截面繞中性軸轉動。中性軸一側為拉應力，另一側為壓應力，其大小沿梁的橫截面高度（y）呈線性分布；梁的橫截面上距離中性軸最遠的截面上、下邊緣上，分別具有最大拉應力和最大壓應力；梁的橫截面上距離中性軸等距離的各點的正應力相同，梁的中性軸上各點（y=0）的正應力為零。圖2-35梁的中性層與中性軸圖2-36純彎曲梁橫截面上的正應力分布5．提高梁抗彎能力的有效措施（1）合理布置支座，降低最大彎矩值。圖2-37合理布置簡支梁支座分析圖（2）合理選用梁的截面形狀，充分發揮材料潛力。如圖2-39所示，在梁的各橫截面面積相等的情況下，自左自右，各截面形狀的梁的抗彎能力逐漸下降，其中工字形截面梁和空心截面梁的承載能力較強。圖2-39梁的截面形狀對抗彎能力的影響（3）采用變截面梁。機械工程中，為了提高梁的抗彎能力、減輕自重和節省材料，常根據彎矩沿梁的軸線變化情況，制成變截面梁，從而使梁的所有橫截面上的最大正應力都接近許用應力，即將梁設計成“等強度梁”。例如，飛機的機翼、汽車的板彈簧、階梯軸以及建筑中廣泛采用的“魚腹梁”等。圖2-40變截面梁在機械工程中的應用實例（4）提高梁的抗彎剛度。通常可以采用縮短梁的跨度（或外伸長度）的措施來提高梁的抗彎剛度。另外，在不能縮短梁的跨度的情況下，采用增加支座的措施來有效地減小梁的變形。三、組合變形●構件發生拉伸（或壓縮）變形、剪切變形、扭轉變形、彎曲變形中的一種變形的情形，稱為基本變形。●構件同時發生兩種或兩種以上的基本變形，稱為組合變形。例如，齒輪軸在工作中既有彎曲變形還有扭轉變形。圖2-42齒輪軸的彎曲變形與扭轉變形模塊七壓桿穩定、交變應力與疲勞強度一、壓桿穩定●壓桿不能保持原有直線平衡狀態而突然變彎的現象，稱為壓桿失穩。粗短壓桿和細長壓桿的失效是截然不同的，前者是強度問題，后者是穩定性問題。機械工程中有許多承受壓力的桿件，如柴油機的連桿、液壓缸的活塞桿、起重機的撐桿、托架中的壓桿等，為了保證其安全工作，設計時不僅要考慮其強度、剛度，還要考慮其穩定性。a）液壓缸的活塞桿b）起重機的撐桿圖2-43液壓缸的活塞桿和起重機的撐桿二、交變應力●交變應力是隨時間發生周期性變化的應力。例如，火車輪軸m-m橫截面上任一點A的應力狀態進行分析，隨著軸的轉動，A點的實際運動位置變化順序是1→2→3→4→1（圖2-44b），A點應力也經歷了從的變化順序。因此，A點的應力是隨時間作周期性變化的。圖2-44火車輪軸的應力變化規律三、疲勞強度1．疲勞失效的特征●疲勞失效（或疲勞破壞）是在交變應力作用下構件產生可見裂紋或斷裂的現象。疲勞失效具有以下特征：（1）工作應力低。（2）破壞表現為脆性斷裂。即使是塑性很好的材料，破壞時斷口處也無明顯的塑性變形。（3）斷口由疲勞源、裂紋擴展區和斷裂區三部分組成。（4）斷裂前經過多次應力循環作用，即構件運行了一定時間。（5）疲勞失效往往是突然發生的，事先無明顯預兆，一旦發生破壞，往往會造成嚴重后果。圖2-45疲勞斷口2．疲勞失效的原因疲勞失效的主要原因是：材料內部存在一些缺陷，構件設計存在的缺陷，構件表面在機械加工后留下的刀痕等，當交變應力超過一定限度并經歷了足夠多次的反復作用后，便在構件中應力最大處和材料的缺陷處產生了微細的裂紋，即形成了裂紋源。3．疲勞強度●材料的疲勞強度是材料在交變應力作用下，能經受無限次應力循環而不發生疲勞破壞的最大應力。例如，當結構鋼的抗拉強度≤1400MPa時，其疲勞強度約為抗拉強度的一半。4．影響構件疲勞強度的主要因素（1）材料的屈服強度越高，其疲勞強度也越高。（2）構件表面加工質量高，疲勞強度也越高。（3）通過表面處理對構件表面進行強化，可改善構件表面層質量，提高構件的疲勞強度。（4）在構件的形狀和尺寸突變處，容易產生疲勞裂紋，從而降低構件的疲勞強度。（5）構件的尺寸越大，所包含的缺陷越多，出現裂紋的概率越大，因此，其疲勞強度越低。三、學生自主學習活動1．相互討論扭轉變形、彎曲變形的特點。2．同學們根據生活經驗，列舉物體或零件的發生疲勞斷裂的現象，看誰列舉的實例典型。四、教學重點與難點1．重點：提高圓軸抗扭能力、提高梁抗彎能力的措施。2．難點：疲勞現象及疲勞強度。五、教學方法與教學手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進行短時演示。六、小結與布置作業1．小結熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經驗相聯系，加深對所學知識的理解。2．布置作業盡量獨立完成相應章節中的復習思考習題，必要時可相互交流與探討相關問題。教案九一、教學組織1．新課導入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學資源）3．學生自主學習活動（15分鐘）4．課堂小結（5分鐘）5．布置作業（2分鐘）二、教學內容第三單元工程材料模塊一工程材料概述一、工程材料分類●工程材料主要是指結構材料。工程材料按組成特點分類，可分為金屬材料、陶瓷材料、有機高分子材料和復合材料四大類。二、工程材料的性能工程材料的性能包括使用性能和工藝性能。●使用性能是指工程材料為保證機械零件或工具正常工作應具備的性能，即在使用過程中所表現出的特性。使用性能包括力學性能、物理性能、化學性能、生物功能。●工藝性能是指工程材料在制造機械零件和工具的過程中，適應各種冷加工和熱加工的性能。工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。三、金屬材料概述●金屬是指在常溫常壓下，在游離狀態下呈不透明的固體狀態，具有良好的導電性和導熱性，有一定的強度和塑性，并具有特殊光澤的物質。●金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主，其他金屬或非金屬元素為輔構成的，并具有金屬特性的工程材料。1．金屬材料分類金屬材料包括純金屬和合金。另外，金屬材料還可分為鋼鐵材料（或稱黑色金屬）和非鐵金屬（或稱有色金屬）兩大類。●合金是由一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過熔化或其他方法結合在一起所形成的具有金屬特性的金屬材料。例如，普通黃銅是由銅和鋅兩種金屬元素組成的合金。●鋼鐵材料（或稱黑色金屬）是以鐵或以鐵為主而形成的金屬材料，如各種鋼材和鑄鐵。●非鐵金屬（或稱有色金屬）除鋼鐵材料以外的其它金屬材料，如金、銀、銅、鋁、鎂、鋅等。四、陶瓷材料概述●陶瓷材料是無機非金屬材料的統稱，是用天然的或人工合成的粉狀化合物，通過成形和高溫燒結而制成的多晶體固體材料，它包括陶瓷、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦、水泥、石膏等。五、有機高分子材料概述●高分子材料是以高分子化合物或高分子聚合物為主要組分所構成的材料，它分為有機高分子材料和無機高分子材料。有機高分子材料按用途和使用狀態分類，可分為塑料、橡膠、膠粘劑、合成纖維等。六、復合材料概述●復合材料是由兩種或兩種以上不同物理或化學性質或不同組織結構的材料，以微觀或宏觀形式組合而成的多相材料。不同材料復合后，通常是其中一種材料作為基體材料，起粘結作用；另一種材料作為增強劑材料，起承載作用。模塊二鋼鐵材料鋼鐵材料包括鋼和鑄鐵兩大類。●鋼是指碳的質量分數介于0.02%～2.11%之間的鐵碳合金的統稱。●鑄鐵是指碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金。鋼按化學成分分類，可分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類。●非合金鋼又稱為碳素鋼、碳鋼，是指以鐵為主要元素，碳的質量分數一般在2.11%以下并含有少量其他元素的鋼鐵材料。●為了改善鋼的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蝕性、抗氧化性、耐磨性、熱硬性、高淬透性等），在煉鋼時有意加入的元素，稱為合金元素。●含有一種或數