機(jī)械基礎(chǔ) 第2版全書電子教案

機(jī)械基礎(chǔ)第2版全書電子教案機(jī)械基礎(chǔ)第2版全書電子教案PAGEPAGE178機(jī)械基礎(chǔ)第2版全書電子教案職業(yè)教育“互聯(lián)網(wǎng)+”新形態(tài)教材《機(jī)械基礎(chǔ)2版》電子教案教案一一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容緒論模塊一課程的內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)和學(xué)習(xí)要求一、機(jī)械基礎(chǔ)課程的內(nèi)容本課程的內(nèi)容涉及桿件的靜力分析、直桿的基本變形、工程材料、連接、機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動、支承零部件、機(jī)械的節(jié)能環(huán)保與安全防護(hù)。二、機(jī)械基礎(chǔ)課程的性質(zhì)與任務(wù)1．機(jī)械基礎(chǔ)課程的性質(zhì)本課程是中等職業(yè)學(xué)校機(jī)械大類及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是公共職業(yè)平臺課程之一，在各專業(yè)學(xué)習(xí)中起到承上啟下的作用。2．機(jī)械基礎(chǔ)課程的任務(wù)（1）掌握必備的機(jī)械基礎(chǔ)知識和基本技能，懂得機(jī)械工作原理，了解機(jī)械工程材料性能，準(zhǔn)確表達(dá)機(jī)械技術(shù)要求，正確操作和科學(xué)維護(hù)機(jī)械設(shè)備。（2）培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，并形成正確的學(xué)習(xí)方法，具備繼續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)的能力。（3）形成嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)的工匠精神和創(chuàng)新意識，為今后解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題和職業(yè)生涯的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。三、機(jī)械基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)要求1．專業(yè)能力目標(biāo)（1）具備對構(gòu)件進(jìn)行受力分析的基本知識，會判斷直桿的基本變形。（2）具備機(jī)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(jī)械零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，初步掌握其選用的基本方法。（4）能夠分析和處理一般機(jī)械運(yùn)行中發(fā)生的問題，具備維護(hù)一般機(jī)械的能力。2．方法能力目標(biāo)（1）具備在機(jī)械基礎(chǔ)范圍內(nèi)獲取、處理和表達(dá)技術(shù)信息，執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，使用技術(shù)資料的能力。（2）參加機(jī)械小發(fā)明、小制作等實(shí)踐活動，嘗試運(yùn)用本課程的知識和技能對簡單機(jī)械進(jìn)行維修和改進(jìn)。（3）養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，掌握正確的學(xué)習(xí)方法。3．社會能力目標(biāo)（1）具有團(tuán)隊(duì)合作意思和溝通協(xié)作意識，積極參與機(jī)械產(chǎn)品社會調(diào)查、技術(shù)交流、分析研討，拓展解決實(shí)際問題的能力。（2）具有社會責(zé)任感，了解機(jī)械的節(jié)能環(huán)保與安全防護(hù)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(yè)道德和職業(yè)情感，提高適應(yīng)職業(yè)變化（或崗位變化）的能力。模塊二機(jī)械的組成及基本要求一、機(jī)械概述1．機(jī)械的概念●機(jī)械是指機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱。機(jī)械能夠?qū)⒛芰浚ɑ蛄Γ囊粋€(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，它是幫助人們降低工作難度或省力的工具或裝置。機(jī)械是現(xiàn)代社會進(jìn)行生產(chǎn)和服務(wù)的五大要素（即人、資金、能量、材料和機(jī)械）之一。不僅現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域需要機(jī)械，就是人們的日常生活，也越來越多地應(yīng)用了各種機(jī)械，如人們使用的汽車、自行車、鐘表、照相機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)機(jī)、吸塵器、家庭機(jī)器人等。2．機(jī)械的分類機(jī)械的功能進(jìn)行分類，機(jī)械可分為動力機(jī)械、加工機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、信息機(jī)械等。按機(jī)械的服務(wù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分類，機(jī)械可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械等。按機(jī)械的工作原理進(jìn)行分類，機(jī)械可分為熱力機(jī)械、流體機(jī)械、仿生機(jī)械等?！駝恿C(jī)械是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與其他形式能量之間轉(zhuǎn)換的機(jī)械，如電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、液壓泵、壓縮機(jī)等都屬于動力機(jī)械?！窦庸C(jī)械是用來改變物體的狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形狀的機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、粉碎機(jī)、壓力機(jī)、紡織機(jī)、軋鋼機(jī)、包裝機(jī)等都是加工機(jī)械。●運(yùn)輸機(jī)械是用來改變?nèi)嘶蛭锪系目臻g位置的機(jī)械，如汽車、火車、飛機(jī)、輪船、纜車、電梯、起重機(jī)、輸送機(jī)等都是運(yùn)輸機(jī)械?！裥畔C(jī)械是用來獲取或處理各種信息的機(jī)械，如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、智能手機(jī)等都是信息機(jī)械。3．人類對機(jī)械的基本要求人類對機(jī)械的基本要求是：使用功能要求、經(jīng)濟(jì)性要求、勞動保護(hù)要求、環(huán)境保護(hù)要求以及特殊要求。例如，金屬切削機(jī)床應(yīng)在使用過程中，應(yīng)在較長時(shí)期內(nèi)保持加工精度；食品和藥品加工機(jī)械應(yīng)不污染產(chǎn)品；運(yùn)輸機(jī)械應(yīng)自重輕、安全高效；信息機(jī)械應(yīng)快速、準(zhǔn)確等。二、機(jī)器概述●機(jī)器是由各種金屬和非金屬部件組裝成的執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，它消耗能源，可以運(yùn)轉(zhuǎn)和做功，用來代替人進(jìn)行工作、進(jìn)行能量變換、進(jìn)行物料傳遞、進(jìn)行信息傳遞（或處理）以及產(chǎn)生有用功。1．機(jī)器的特征機(jī)器都具有三個(gè)共同特征。（1）任何機(jī)器都是由許多機(jī)構(gòu)組合而成的。例如，汽車發(fā)動機(jī)（圖0-1）就是有曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)等組合而成的。（2）組成機(jī)器的各部分實(shí)物之間具有確定的相對運(yùn)動。例如，內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)（圖0-2）中的凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動而閥桿作間歇往復(fù)移動，從而實(shí)現(xiàn)氣體的交換過程。圖0-1汽車發(fā)動機(jī)原理圖圖0-2內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)（3）所有機(jī)器都能做有效的機(jī)械功，可以代替人或減輕人類的勞動，或進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。例如，發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；運(yùn)動機(jī)器可以改變物體在空間的位置。2．機(jī)器的組成機(jī)器都是由動力部分、執(zhí)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(jī)器的組成（1）動力部分是機(jī)器的動力來源。（2）執(zhí)行部分是直接完成工作任務(wù)的部分，它處于整個(gè)傳動路線的終端。（3）傳動部分是將動力部分的運(yùn)動和動力傳遞給執(zhí)行部分的中間裝置。（4）控制部分是使動力部分、傳動部分、執(zhí)行部分按一定的順序和規(guī)律實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動，完成給定的工作循環(huán)。由上面的分析可知，電動自行車、電動縫紉機(jī)可以稱為機(jī)器，而普通自行車、普通縫紉機(jī)由于缺少動力部分，則不能稱為機(jī)器。3．機(jī)器的結(jié)構(gòu)●機(jī)器一般由零件、部件組成一個(gè)整體，或者由幾個(gè)獨(dú)立機(jī)器構(gòu)成聯(lián)合體?！裼蓛膳_或兩臺以上機(jī)器機(jī)械地聯(lián)接在一起的機(jī)械設(shè)備稱為機(jī)組?！窳慵菢?gòu)成機(jī)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(jī)器中由若干零件裝配在一起構(gòu)成的具有獨(dú)立功能的部分，如軸承、聯(lián)軸器、離合器、減速器等。三、構(gòu)件和機(jī)構(gòu)1．構(gòu)件●構(gòu)件是構(gòu)成機(jī)器的各個(gè)相對獨(dú)立的運(yùn)動單元。構(gòu)件可以是單一的零件，也可以是由若干個(gè)零件剛性連接而成，但剛性連接的零件之間不能產(chǎn)生相對運(yùn)動。例如，汽車發(fā)動機(jī)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(dú)立的運(yùn)動構(gòu)件。圖0-4連桿構(gòu)件2．機(jī)構(gòu)●機(jī)構(gòu)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過活動聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)規(guī)定運(yùn)動的構(gòu)件組合?；蛘哒f，機(jī)構(gòu)是具有確定的相對運(yùn)動構(gòu)件的組合體，是用來傳遞運(yùn)動和力的構(gòu)件系統(tǒng)。復(fù)雜的機(jī)器由多種機(jī)構(gòu)構(gòu)成，而簡單的機(jī)器可能只含有一種機(jī)構(gòu)。例如，圖0-5所示的曲柄壓力機(jī)中，其傳動部分由V帶及帶輪組成的帶傳動機(jī)構(gòu)、小齒輪和大齒輪組成的齒輪傳動機(jī)構(gòu)、曲軸和連桿及滑塊組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，它們協(xié)同作用，將電動機(jī)的等速轉(zhuǎn)動變換為凸模的直線沖壓運(yùn)動。a）曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)圖b）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖圖0-5曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)圖與機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如果僅從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的角度來分析，機(jī)構(gòu)與機(jī)器之間并無區(qū)別，因此，可將機(jī)構(gòu)和機(jī)器總稱為機(jī)械。四、機(jī)械在社會發(fā)展中的作用機(jī)械是社會發(fā)展文明程度的標(biāo)志和助推器。機(jī)械工業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，其發(fā)展水平均與機(jī)械的科技水平相適應(yīng)。同時(shí)，某些機(jī)械的發(fā)明和完善，又會導(dǎo)致新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。例如，大型動力機(jī)械的制造成功，促成了電力系統(tǒng)的建立；機(jī)車的發(fā)明導(dǎo)致了鐵路工程和鐵路事業(yè)的興起；內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動機(jī)等的發(fā)明和進(jìn)步，以及飛機(jī)和航天器的研制成功導(dǎo)致了航空、航天事業(yè)的興起；高壓設(shè)備的發(fā)展導(dǎo)致了許多新型合成化學(xué)工程的成功等。不斷創(chuàng)新是機(jī)械制造與發(fā)展的關(guān)鍵，研制新的機(jī)械產(chǎn)品的目的是為了增加生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率。未來，新的機(jī)械產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為主要目標(biāo)。同時(shí)，現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)可以創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機(jī)械，將使人類的許多幻想成為現(xiàn)實(shí)。隨著新興的電子計(jì)算機(jī)硬件、軟件科學(xué)的發(fā)展，人類創(chuàng)造出了許多人工智能器件，幫助人類創(chuàng)造出許多更神奇的智能機(jī)械，并代替人類的雙手作更多、更精巧、更復(fù)雜的工作。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論機(jī)器的特征和組成。2．同學(xué)搶答說出自己遇到的機(jī)械，看誰說的多。3．智力搶答活動：一個(gè)同學(xué)說出一個(gè)機(jī)械，其他同學(xué)搶答，說明該機(jī)械是否是機(jī)器，看誰說得準(zhǔn)確并且多。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：機(jī)械的分類、機(jī)器的特征和機(jī)器的組成。2．難點(diǎn)：構(gòu)件與機(jī)構(gòu)的區(qū)別。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案二一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容第一單元桿件的靜力分析模塊一力的概念與基本性質(zhì)一、靜力學(xué)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(yùn)動狀態(tài)，它是物體機(jī)械運(yùn)動的一種特殊形式。靜力學(xué)研究的基本內(nèi)容可歸結(jié)為以下幾個(gè)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(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變或使物體產(chǎn)生變形。力對物體的作用效果有兩種情形：一是使物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，這一效應(yīng)稱為力的運(yùn)動效應(yīng)；二是使物體發(fā)生變形，這一效應(yīng)稱為變形效應(yīng)。力對物體的作用效應(yīng)，由力的大小、方向和作用點(diǎn)的位置所決定，這三個(gè)因素稱為力的三要素。在力的三個(gè)要素中，任何一個(gè)要素改變時(shí)，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(gè)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(diǎn)（箭尾）或終點(diǎn)（箭頭）表示力的作用點(diǎn)；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(fā)生任何變化的物體，稱為剛體。在靜力學(xué)中，當(dāng)研究物體的運(yùn)動效應(yīng)時(shí)，可將物體看成剛體；在材料力學(xué)研究時(shí)，當(dāng)研究物體的變形效應(yīng)時(shí)，就不能將物體看成剛體，而是看成“變形體”。四、力的基本性質(zhì)力的基本性質(zhì)由靜力學(xué)公理來說明。靜力學(xué)公理是整個(gè)靜力學(xué)的基礎(chǔ)，反映了力所遵循的客觀規(guī)律，是進(jìn)行構(gòu)件受力分析、研究力系簡化和力系平衡的理論依據(jù)。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(gè)力，使剛體處于平衡狀態(tài)的充分和必要條件是這兩個(gè)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(gè)力作用且處于平衡狀態(tài)的構(gòu)件稱為二力構(gòu)件（或二力桿件）。二力構(gòu)件的受力特點(diǎn)是：兩個(gè)力的作用線必在兩個(gè)力作用點(diǎn)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(gè)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(dǎo)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(diǎn)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，F(xiàn)2）后c）剛體減平衡力系（F，F(xiàn)2）后圖1-7推導(dǎo)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(yùn)送物品時(shí)，無論在車后A點(diǎn)用力F推車，還是在車前同一直線上的B點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成為一個(gè)力，合力的作用點(diǎn)仍在該點(diǎn)，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(nèi)互不平行的三個(gè)力作用而平衡時(shí)，則該三力的作用線必匯交于一點(diǎn)，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(gè)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(gè)物體上。作用與反作用公理說明，力總是成對出現(xiàn)的，有作用力就有反作用力，二者永遠(yuǎn)是同時(shí)存在，又同時(shí)消失。作用力與反作用力分別作用在兩個(gè)物體上，不能說成是一對平衡力。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論力的三要素。2．同學(xué)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(gè)同學(xué)說出一個(gè)零件，其他同學(xué)搶答，說明該零件在運(yùn)行中的受力狀態(tài)，看誰說得準(zhǔn)確。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：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(diǎn)：加減平衡力系公理。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案三一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容模塊二力矩、力偶、力的平移一、力矩力對物體除了具有運(yùn)動效應(yīng)外，有時(shí)還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)。力F使剛體繞某點(diǎn)O轉(zhuǎn)動的效應(yīng)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，加在扳手上的力越大，或者力的作用線距離中心O點(diǎn)越遠(yuǎn)，就越容易轉(zhuǎn)動螺母。圖1-12扳手的力矩●在力學(xué)中，將物體的轉(zhuǎn)動中心稱為矩心，矩心到力的作用線的距離稱為力臂?！褚粤εc力臂的乘積來度量力對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，并稱為力對點(diǎn)之矩，簡稱力矩，記作MO（F）=±Fd力矩是一個(gè)代數(shù)量，其正、負(fù)號表示力矩的轉(zhuǎn)向，通常規(guī)定：力使物體產(chǎn)生逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，力矩為正；反之，力使物體產(chǎn)生順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，力矩為負(fù)。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?！っ祝∟·m），常用單位是千?！っ祝╧N·m）。二、力偶和力偶矩1．力偶●在力學(xué)中，將作用在同一物體上的兩個(gè)大小相等、方向相反、不共線的平行力稱為力偶，記作（F，F(xiàn)′）。圖1-13力偶實(shí)例2．力偶矩●力偶中兩個(gè)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?！窳ε际刮矬w轉(zhuǎn)動的方向稱為力偶的轉(zhuǎn)向，力偶對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)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(xiàn)′）或M，即M（F，F(xiàn)′）=M=±Fd圖1-14平面力偶及其表示法力偶矩是一個(gè)代數(shù)量，其正、負(fù)號表示力偶矩的轉(zhuǎn)向，通常規(guī)定：力偶使物體產(chǎn)生逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，力偶矩為正；反之，力偶使物體產(chǎn)生順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，力偶矩為負(fù)。力偶的三要素是力偶矩的大小、轉(zhuǎn)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(zhì)（1）力偶不能用一個(gè)力來代替。力偶必須用力偶來平衡。（2）力偶對其作用面內(nèi)任意一點(diǎn)之矩恒等于力偶矩，而與矩心的位置無關(guān)，如圖1-15所示。圖1-15力偶中力對任一點(diǎn)的矩（3）凡力偶的三要素相同的力偶，則各個(gè)力偶之間相互等效，該性質(zhì)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(zhuǎn)向不變，力偶可以在其平面內(nèi)任意移動，且可以同時(shí)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(diǎn)A的力F，可以將力F平行移動至任一指定點(diǎn)B，但需附加一個(gè)力偶矩M，附加的力偶矩M等于原力F對指定點(diǎn)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(shí)習(xí)中，使用絲錐攻螺紋時(shí)，需要在錐柄兩端均勻地用力以形成一個(gè)力偶，而不允許單手施加力于錐柄一端（圖1-18b），因?yàn)檫@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(nèi)的一個(gè)力和一個(gè)力偶替換成一個(gè)力，這樣可以將一個(gè)復(fù)雜的平面力系簡化。a）正確操作b）錯(cuò)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(shí)間（t）內(nèi)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(jī)器的銘牌中都標(biāo)有機(jī)器的額定功率。額定功率是機(jī)器正常工作時(shí)的功率。（1）直線運(yùn)動的功率公式對于直線運(yùn)動來說，可用如下公式計(jì)算功率：P=當(dāng)機(jī)器的功率一定時(shí)，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(jìn)行金屬粗切削加工時(shí)，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(jī)過載甚至燒毀電動機(jī)。（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動的功率公式對于回轉(zhuǎn)運(yùn)動來說，可用如下公式計(jì)算功率：P=式中P——圓軸傳遞的功率，單位是kW；n——圓軸的轉(zhuǎn)速，單位是r/min。M——作用在輪軸上的外力偶矩，單位是N·m。當(dāng)機(jī)器的功率一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速大時(shí)，轉(zhuǎn)矩變?。晦D(zhuǎn)速小時(shí)，轉(zhuǎn)矩變大。例如，汽車爬坡時(shí)，需要較大的驅(qū)動力矩（或較大的牽引力），司機(jī)常采用低檔位的轉(zhuǎn)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）?！褫斎牍β剩≒）中的另一部分要克服機(jī)械傳動中的無用阻力，該部分功率稱為無用功率（P無）?！駲C(jī)器工作時(shí)，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(jì)算公式是：P=P有+P無=P有/P三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論力偶的三要素。2．同學(xué)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(gè)同學(xué)說出一個(gè)零件，其他同學(xué)搶答，說明該零件在運(yùn)行中的力矩狀態(tài)，看誰說得準(zhǔn)確。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：力矩的轉(zhuǎn)向、力偶的三要素、力偶的性質(zhì)。2．難點(diǎn)：力的平移定理。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案四一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容模塊三約束、約束力、力系和受力圖的應(yīng)用一、約束與約束力●凡是對一個(gè)物體的運(yùn)動或運(yùn)動趨勢起限制作用的其他物體，都稱為這個(gè)物體的約束。●約束對物體的作用力稱為約束力?！衽c約束力相對應(yīng)，使物體產(chǎn)生運(yùn)動或運(yùn)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(fēng)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(diǎn)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(gòu)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(diǎn)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(dāng)兩個(gè)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(shí)，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(dǎo)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(diǎn)（或接觸面）公法線方向的運(yùn)動，而不能限制物體沿接觸面切線方向的運(yùn)動。因此，光滑接觸面約束力的作用方向是通過接觸點(diǎn)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(gè)以上構(gòu)件通過圓柱面接觸，構(gòu)成只能繞銷軸回轉(zhuǎn)中心相對轉(zhuǎn)動，不能發(fā)生相對移動而構(gòu)成的約束，稱為光滑圓柱鉸鏈約束。根據(jù)被連接物體的形狀、位置及作用進(jìn)行分類，光滑圓柱鉸鏈約束可分為中間鉸鏈約束（兩個(gè)構(gòu)件可作相對轉(zhuǎn)動）、固定鉸鏈支座約束（構(gòu)件中一個(gè)固定在機(jī)架或基礎(chǔ)上）和活動鉸鏈支座約束（支座中有幾個(gè)圓柱滾子可沿某一方向滾動）。中間鉸鏈對物體的約束特點(diǎn)是：約束力在垂直于圓柱銷（或銷釘）軸線的平面內(nèi)，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(gè)正交分力來表示。圖1-22中間鉸鏈約束的結(jié)構(gòu)與受力分析如果光滑圓柱鉸鏈中有一構(gòu)件與機(jī)架或基礎(chǔ)固定在一起時(shí)，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(jié)構(gòu)與受力分析固定鉸鏈支座對物體的約束特點(diǎn)與中間鉸鏈約束相同?！袢绻麑⒐潭ㄣq鏈支座底部安裝若干滾子，并與支承面接觸，則構(gòu)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(diǎn)是：約束力只能限制構(gòu)件沿支承面垂直方向的移動，不能阻止物體沿支承面的運(yùn)動或繞圓柱銷軸線的轉(zhuǎn)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?；顒鱼q鏈支座約束常用于橋梁、屋架結(jié)構(gòu)中。圖1-24活動鉸鏈支座約束的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動的約束。固定端約束的構(gòu)件可以用一端插入剛體內(nèi)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(zhuǎn)動，即物體既不能移動也不能轉(zhuǎn)動，完全被固定位置。固定端約束產(chǎn)生一個(gè)限制物體沿任何方向移動的約束力（或兩個(gè)正交分力）和一個(gè)限制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。圖1-25固定端約束的結(jié)構(gòu)與受力分析三、力系1．力系概述●一個(gè)物體或構(gòu)件上有多個(gè)力（通常指兩個(gè)以上的力）作用時(shí)，則這些力就組成一個(gè)力系。如果各個(gè)力的作用線均在同一平面內(nèi)時(shí)，則稱該力系為平面力系。如果各個(gè)力的作用線不在同一平面內(nèi)時(shí)，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(gè)力的作用線既不全交于一點(diǎn)，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(gè)力的作用線都匯交于同一點(diǎn)時(shí)，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(jù)力的可移性原理，首先將各力沿其作用線移至A點(diǎn)，然后連續(xù)應(yīng)用力的三角形法則（或平行四邊形法則），將各個(gè)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?！癖环蛛x出來的物體稱為分離體。●確定作用在物體上的每一個(gè)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(jìn)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(qū)別，通常采用加注角標(biāo)“′”進(jìn)行區(qū)分?！纠?．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(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(jì)，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(gè)物體系統(tǒng)，作受力分析時(shí)，應(yīng)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(jù)二力平衡公理，F(xiàn)C、FD兩力作用線應(yīng)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(yīng)用一、力在直角坐標(biāo)軸上的投影如果力F作用在Oxy平面內(nèi)（圖1-29），過力F的兩端點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)軸上的投影力在某一坐標(biāo)軸上的投影有正、負(fù)號規(guī)定，其正、負(fù)符號規(guī)定是：當(dāng)力的起點(diǎn)a（或a1）到終點(diǎn)投影b（或b1）的指向與坐標(biāo)軸正向一致時(shí)為正，反之則為負(fù)。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(biāo)軸上的投影，等于力系中各力在同一坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和。這一結(jié)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(jìn)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，F(xiàn)2=300N，F(xiàn)3=100N，F(xiàn)4=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(jì)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(jì)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(biāo)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(biāo)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(biāo)軸上投影的代數(shù)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(biāo)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(biāo)軸上投影的代數(shù)和等于零，且各力對平面內(nèi)任意一點(diǎn)的力矩的代數(shù)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(dú)立平衡方程只有兩個(gè)。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論常見約束類型及其約束力的特點(diǎn)。2．同學(xué)們根據(jù)生活中的實(shí)例，分析物體的受力情況，看誰分析得準(zhǔn)。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：常見約束類型及其約束力的特點(diǎn)、平面匯交力系。2．難點(diǎn)：受力圖。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案五一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容第二單元直桿的基本變形模塊一桿件基礎(chǔ)知識1．桿件與直桿的概念●桿件是指縱向（長度方向）尺寸遠(yuǎn)大于橫向（垂直于長度方向）尺寸的構(gòu)件。桿件有兩個(gè)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?！駰U件的軸線是直線時(shí)，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(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，載荷分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。根據(jù)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(zhuǎn)載荷等?！耢o載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷?！駴_擊載荷是指在短時(shí)間內(nèi)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(shí)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(chǎn)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(zhuǎn)變形和彎曲變形。4．桿件的強(qiáng)度與剛度●強(qiáng)度是指材料（或桿件）受力時(shí)抵抗破壞的能力?！駝偠仁侵覆牧希ɑ驐U件）抵抗變形的能力?！穹€(wěn)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(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。為了使桿件正常工作，桿件必須滿足三個(gè)基本要求：第一，桿件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證桿件在載荷作用下不發(fā)生破壞；第二，桿件應(yīng)具有足夠的剛度；第三，桿件應(yīng)具有足夠的穩(wěn)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(shè)桿件統(tǒng)稱為變形固體。對于變形固體，可以做如下假設(shè)：（1）均勻連續(xù)性假設(shè)。即認(rèn)為桿件的整個(gè)體積內(nèi)都連續(xù)不斷地充滿著物質(zhì)，而且各處的力學(xué)性能都相同。（2）各向同性假設(shè)。即桿件在各個(gè)方向具有相同的力學(xué)性能?！袢绻牧涎夭煌较虺尸F(xiàn)不同的力學(xué)性能，則稱為各向異性材料。模塊二直桿軸向拉伸與壓縮時(shí)的變形與應(yīng)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(diǎn)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(dāng)作用在桿件上兩端面的外力作用線方向離開桿件端面時(shí)，桿件發(fā)生拉伸變形，桿件主要是軸向伸長，同時(shí)桿件橫截面尺寸縮?。划?dāng)作用在桿件上兩端面的外力作用線方向指向桿件端面時(shí)，桿件發(fā)生壓縮變形，桿件主要是縱向收縮，同時(shí)桿件橫截面尺寸增大。圖2-4拉伸與壓縮●通常將產(chǎn)生軸向拉伸變形的桿件稱為拉桿，將產(chǎn)生軸向壓縮變形的桿件稱為壓桿。二、內(nèi)力、截面法、應(yīng)力和應(yīng)變的概念1．內(nèi)力●內(nèi)力是桿件內(nèi)部產(chǎn)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(nèi)力與桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等密切相關(guān)。2．截面法●截面法是求內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)力FN=F。圖2-5受拉桿件的內(nèi)力與應(yīng)力3．應(yīng)力●應(yīng)力是桿件在外力作用下，其截面上單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)力分為正應(yīng)力和切應(yīng)力。其中正應(yīng)力是沿桿件橫截面法向的應(yīng)力，用“R”表示；切應(yīng)力是沿桿件橫截面切向的應(yīng)力，用“”表示。桿件軸向拉伸和壓縮時(shí)，橫截面上的應(yīng)力是均勻分布的，其計(jì)算公式是：R=式中R——桿件橫截面上的正應(yīng)力，單位是MPa；FN——桿件橫截面上的內(nèi)力，單位是N；A——桿件的橫截面面積，單位是mm2。應(yīng)力的單位是Pa(帕)，1Pa=1N/m2。在工程實(shí)際中常用MPa(兆帕)，1MPa=106Pa=1N/mm2。正應(yīng)力的正、負(fù)號規(guī)定是：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。4．應(yīng)變●應(yīng)變是桿件在外力作用下其內(nèi)部某一點(diǎn)的變形程度。桿件在拉伸（或壓縮）時(shí)，其變形主要表現(xiàn)為縱向伸長（或縮短）。假設(shè)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(yīng)變?！窬€應(yīng)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(fù)號與的正負(fù)號一致，即拉伸變形時(shí)為正，壓縮變形時(shí)為負(fù)。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論直桿軸向拉伸或壓縮的情形。2．同學(xué)們根據(jù)生活中的實(shí)例，分析物體受到載荷作用的性質(zhì)，看誰分析得準(zhǔn)。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：桿件所受載荷的種類、桿件的變形種類、應(yīng)力與應(yīng)變。2．難點(diǎn)：截面法求內(nèi)力。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案六一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容模塊三材料的力學(xué)性能●材料的力學(xué)性能又稱為機(jī)械性能，是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能。材料的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)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(shí)可產(chǎn)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(shí)塑性變形很小。一、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能1．低碳鋼拉伸試驗(yàn)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(biāo)距=10；另一種是短拉伸試樣，其原始標(biāo)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(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)的主要設(shè)備是液壓萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖2-8），試驗(yàn)前將拉伸試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)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(yàn)過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)可連續(xù)地記錄試驗(yàn)過程，并以力（F）-伸長（）曲線形式，或者是應(yīng)力（R）-應(yīng)變（）曲線形式記錄試驗(yàn)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(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、變形強(qiáng)化階段、縮頸與斷裂四個(gè)階段。2．低碳鋼的強(qiáng)度指標(biāo)●強(qiáng)度是材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)主要有:屈服強(qiáng)度（一般以ReL表示）、規(guī)定總延伸強(qiáng)度（如）、抗拉強(qiáng)度（Rm）等。（1）●屈服強(qiáng)度是指試樣在拉伸試驗(yàn)過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時(shí)的應(yīng)力。屈服強(qiáng)度包括上屈服強(qiáng)度（ReH）和下屈服強(qiáng)度（ReL），由于下屈服強(qiáng)度的數(shù)值較為穩(wěn)定，通常將下屈服強(qiáng)度作為材料的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度的單位是MPa（或N/mm2）。屈服強(qiáng)度ReL可用下式計(jì)算：ReL=FsL/So(MPa或N/mm2)式中：FsL──拉伸試樣屈服時(shí)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(guī)定總延伸強(qiáng)度是指試樣總延伸率等于規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距（Le）百分率時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力。規(guī)定總延伸強(qiáng)度用符號“R”并加角標(biāo)“t和規(guī)定的總延伸率”表示。例如，表示規(guī)定總延伸率為0.5%時(shí)的應(yīng)力，并將此值作為沒有產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。（3）●抗拉強(qiáng)度是指拉伸試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度用符號Rm表示，單位是MPa（或N/mm2）。Rm可用下式計(jì)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(yīng)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(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形。3．低碳鋼的塑性指標(biāo)●塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。表征材料塑性大小的主要指標(biāo)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(biāo)距伸長量與原始標(biāo)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(jì)算：A或A11.3=(-)/×100%式中──拉斷拉伸試樣對接后測出的標(biāo)距長度，單位是mm；──拉伸試樣原始標(biāo)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(jì)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(jìn)行鍛壓、軋制等成形工藝，而且在使用過程中如果發(fā)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(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還須有一定的塑性。目前，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法推廣采用GB/T228-2010新標(biāo)準(zhǔn)。4．卸載規(guī)律與冷變形強(qiáng)化對于低碳鋼等塑性金屬材料，當(dāng)拉伸試樣被加載到強(qiáng)化階段內(nèi)的某一點(diǎn)d時(shí)，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(yīng)力與應(yīng)變之間按直線規(guī)律變化，這就是卸載規(guī)律。試樣卸載后，彈性應(yīng)變hg消失，塑性應(yīng)變Oh將被殘留下來。如果試樣卸載后在短期內(nèi)再加載，則其應(yīng)力和應(yīng)變將基本上沿著卸載時(shí)的同一直線hd上升，直到恢復(fù)開始卸載時(shí)的應(yīng)力為止，再往后加載時(shí)，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(qiáng)化階段內(nèi)加載后再卸載，試樣的規(guī)定總延伸強(qiáng)度得到提高，而塑性卻有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化。圖2-10卸載規(guī)律和冷變形強(qiáng)化二、低碳鋼壓縮時(shí)的力學(xué)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(shí)的R-曲線圖2-12所示是退火低碳鋼壓縮試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)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(shí)的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量均與拉伸時(shí)相同。進(jìn)入強(qiáng)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(qiáng)度極限。三、鑄鐵拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)性能圖2-13所示是鑄鐵壓縮試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)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(yīng)力和應(yīng)變都很小，沒有明顯的屈服階段和縮頸現(xiàn)象，斷口垂直于試樣軸線，即斷裂是發(fā)生在最大拉應(yīng)力的作用面上。斷裂時(shí)的應(yīng)變僅為0.4～0.5%，說明鑄鐵是典型的脆性材料。斷裂時(shí)R-曲線上的最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度。圖2-13灰鑄鐵拉伸與壓縮時(shí)的R-曲線鑄鐵在壓縮試驗(yàn)過程中，在R-曲線中沒有明顯的直線部分，表明應(yīng)力與應(yīng)變的正比例關(guān)系基本不存在，但鑄鐵在壓縮時(shí)其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，鑄鐵常用于制作受壓桿件。另外，鑄鐵壓縮破壞時(shí)，斷口與軸線大致成45°傾角，這是因?yàn)樵?5°斜截面上存在最大切應(yīng)力，從而造成鑄鐵在此截面上發(fā)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(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據(jù)壓痕直徑d計(jì)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(yàn)時(shí)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(biāo)注在硬度符號“HBW”前面。除了保持時(shí)間是10～15s的試驗(yàn)條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應(yīng)在符號“HBW”后面用相應(yīng)的數(shù)字寫明壓頭直徑、試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時(shí)間，如300HBW10/1000/30表示用直徑D=10mm的硬質(zhì)合金球，在1000kgf(9.807kN)試驗(yàn)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(zhì)合金球，在750kgf(7.355kN)試驗(yàn)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(yàn)原理圖b）布氏硬度計(jì)圖2-14布氏硬度試驗(yàn)原理圖及設(shè)備布氏硬度適合于測定非鐵金屬、鑄鐵及經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)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(zhì)合金球），壓入試樣表面（圖2-15），根據(jù)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(yàn)原理圖b）洛氏硬度計(jì)圖2-15洛氏硬度試驗(yàn)原理圖及設(shè)備洛氏硬度計(jì)采用不同的壓頭和載荷，并對應(yīng)不同的硬度標(biāo)尺，每種標(biāo)尺由一個(gè)專用字母表示，標(biāo)注在符號“HR”后面，如HRA、HRB、HRC等。測定的硬度數(shù)值寫在符號“HR”的前面，符號“HR”后面寫使用的標(biāo)尺，如55HRC表示用“C”標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為55。洛氏硬度主要用于直接檢驗(yàn)成品或半成品的硬度，特別適合檢驗(yàn)經(jīng)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?fàn)朖）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(yàn)方法夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，如圖1-10所示。a）夏比沖擊試驗(yàn)原理b）手動沖擊試驗(yàn)機(jī)圖2-16夏比沖擊試驗(yàn)原理圖及手動沖擊試驗(yàn)機(jī)材料的吸收能量K可以從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。它是表征金屬材料韌性的重要指標(biāo)。顯然，沖擊吸收能量K大，表示金屬材料抵抗沖擊試驗(yàn)力而不破壞的能力越強(qiáng)，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(zhì)量、宏觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗(yàn)金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。3．沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系沖擊吸收能量K對溫度非常敏感?！癞?dāng)沖擊試驗(yàn)溫度降至某一數(shù)值時(shí)，沖擊吸收能量K急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔眩@種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。●金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗(yàn)中，沖擊吸收能量K急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域，稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度約為-20℃，因此，在非常寒冷(室外溫度低于-20℃)的地區(qū)使用非合金鋼構(gòu)件（如鋼軌、車輛、橋梁、輸運(yùn)管道、電力鐵塔等）時(shí)，易發(fā)生脆斷現(xiàn)象。所以，在選用金屬材料時(shí)，一定要考慮金屬材料服役條件的最低環(huán)境溫度必須高于金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。圖2-17吸收能量-溫度曲線三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)一般采用什么樣的試樣？2．同學(xué)們根據(jù)生活中的實(shí)例，分析物體或零件的主要強(qiáng)度指標(biāo)是什么？看誰分析得準(zhǔn)。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：低碳鋼的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。2．難點(diǎn)：卸載規(guī)律與冷變形強(qiáng)化。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案七一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容模塊四直桿軸向拉伸與壓縮時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算一、許用應(yīng)力與安全系數(shù)●工程上將材料因強(qiáng)度不足而失效時(shí)的最大應(yīng)力稱為極限應(yīng)力。對于脆性材料來說，其失效表現(xiàn)為斷裂破壞，所以脆性材料的抗拉強(qiáng)度就是極限應(yīng)力；對于塑性材料來說，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，材料將產(chǎn)生顯著的變形而喪失工作能力，所以塑性材料的屈服強(qiáng)度（如）就是極限應(yīng)力。在構(gòu)件實(shí)際使用過程中，應(yīng)對其制造材料的極限應(yīng)力除以一個(gè)大于1的系數(shù)（安全系數(shù)），并以此作為材料安全工作時(shí)允許承受的最大應(yīng)力，這個(gè)最大應(yīng)力就是材料的許用應(yīng)力。許用應(yīng)力常用符號［R］表示。對于塑性材料來說，其［R］=屈服強(qiáng)度/；對于脆性材料來說，其［R］=抗拉強(qiáng)度/。對于塑性材料，其安全因數(shù)=1.2～2.5；對于脆性材料，其安全因數(shù)=2.0～3.5。二、直桿軸向拉伸與壓縮時(shí)的強(qiáng)度條件為了保證軸向拉桿（或壓桿）具有足夠的強(qiáng)度，要求桿件中最大工作應(yīng)力Rmax小于材料在拉伸（或壓縮）時(shí)的許用應(yīng)力［R］，因此軸向拉桿（或壓桿）的強(qiáng)度條件是：Rmax=≤［R］式中FN和A分別是危險(xiǎn)截面上的內(nèi)力和橫截面面積。應(yīng)用軸向拉桿（或壓桿）的強(qiáng)度條件可以解決軸向拉桿（或壓桿）的強(qiáng)度校核、截面尺寸選擇、確定許用載荷等問題?！纠?．1】如圖2-18所示，有一起重吊環(huán)采用低碳鋼制造，其屈服強(qiáng)度=360MPa，安全系數(shù)n=1.7，求起重吊環(huán)連接螺栓的最小直徑。圖2-18起重吊環(huán)解：起重吊環(huán)的許用應(yīng)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(huán)連接螺栓的最小直徑是17.32mm。三、應(yīng)力集中等截面直桿在拉伸（或壓縮）時(shí)，橫截面上的正應(yīng)力是均勻分布的。但是，工程中由于結(jié)構(gòu)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(fā)生突變。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，在桿件截面突變處的橫截面上，應(yīng)力分布是不均勻的。●由于桿件截面的突變導(dǎo)致的局部應(yīng)力驟增的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力集中。大量實(shí)踐表明，應(yīng)力集中使桿件破壞的危險(xiǎn)性增加。模塊五連接件的剪切與擠壓一、剪切1．剪切變形●當(dāng)構(gòu)件的某一截面兩側(cè)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(shí)，構(gòu)件的相鄰兩部分將沿外力作用線方向發(fā)生相對錯(cuò)動，這種變形稱為剪切變形。圖2-20受剪切鉚釘發(fā)生相對錯(cuò)動的截面稱為剪切面，剪切面平行于外力的方向，位于兩個(gè)反向的外力之間。2．切應(yīng)力●剪切面上必有一個(gè)與外力F大小相等、方向相反的內(nèi)力，這個(gè)與截面相切的內(nèi)力稱為剪力，用符號FS表示。由平衡方程，可得到剪力的大?。篎S=F圖2-21鉚釘連接件受力分析圖●切應(yīng)力是表示沿剪切面上應(yīng)力分布的程度，即單位面積上所受到的剪力。機(jī)械工程上一般認(rèn)為剪力在剪切面上是均勻分布的。因此，切應(yīng)力可按下列公式計(jì)算：式中FS為剪切面上的剪力，A為剪切面的面積。3．剪切強(qiáng)度條件為了保證連接件在工作時(shí)不發(fā)生剪切破壞，必須使連接件剪切面上的工作切應(yīng)力不超過材料的許用切應(yīng)力，即連接件的剪切強(qiáng)度條件是：式中是材料的許用切應(yīng)力，其值可根據(jù)試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度，再除以安全因數(shù)獲得。連接件的剪切強(qiáng)度條件同樣可以解決連接件強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(yīng)力大于或等于材料的剪切強(qiáng)度。在此問題中，剪切面是圓柱形側(cè)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．?dāng)D壓變形●螺栓、鉚釘?shù)冗B接件在外力作用下發(fā)生剪切變形的同時(shí)，在連接件與被連接件的接觸面上互相壓緊，會產(chǎn)生局部塑性變形，甚至產(chǎn)生壓潰破壞的現(xiàn)象，稱為擠壓變形。圖2-23螺栓擠壓變形2．?dāng)D壓應(yīng)力擠壓面上單位面積所受到的擠壓力，稱為擠壓應(yīng)力，擠壓應(yīng)力用符號Rbc表示，其表達(dá)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．?dāng)D壓強(qiáng)度條件為了保證連接件在工作時(shí)不發(fā)生擠壓破壞，必須使連接件的工作擠壓應(yīng)力Rbc不超過材料的許用擠壓應(yīng)力，即連接件的擠壓強(qiáng)度條件是：接件的擠壓強(qiáng)度條件同樣可以解決連接件強(qiáng)度的校核、截面尺寸選擇和確定許可載荷等問題?！纠?．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(yīng)力=100MPa，許用擠壓應(yīng)力=200MPa，F(xiàn)=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(chǎn)生擠壓變形，采用截面法可求得FS=Fbc=F=28kN（2）按剪切強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓直徑d，由得A=（3）按擠壓強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓直徑d，由得如果要螺栓同時(shí)滿足剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度的要求，則螺栓的最小直徑d=19mm。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論拉伸與壓縮的強(qiáng)度條件、剪切與擠壓的強(qiáng)度條件。2．同學(xué)們根據(jù)生活中的實(shí)例，分析物體或零件的應(yīng)力集中現(xiàn)象，看誰分析得準(zhǔn)。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：拉伸與壓縮的強(qiáng)度條件、剪切與擠壓的強(qiáng)度條件。2．難點(diǎn)：應(yīng)力集中現(xiàn)象。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案八一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)容模塊六圓軸扭轉(zhuǎn)、直梁彎曲和組合變形一、圓軸扭轉(zhuǎn)1．扭轉(zhuǎn)變形●構(gòu)件受到作用面與軸線垂直的外力偶作用時(shí)，構(gòu)件各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，稱為扭轉(zhuǎn)變形。a）b）c）圖2-25扭轉(zhuǎn)變形圓軸扭轉(zhuǎn)變形的受力特點(diǎn)是：在與圓軸軸線垂直的平面內(nèi)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(zhuǎn)變形的特點(diǎn)是：圓軸各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)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(jù)力偶只能與力偶平衡的性質(zhì)，C截面上的內(nèi)力系必須合成為一個(gè)力偶才能與外力偶MA平衡。橫截面上的內(nèi)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(zhuǎn)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(fù)號：用右手四指沿扭矩的轉(zhuǎn)向握著軸，大拇指的指向（扭矩的方向）背離截面時(shí)，扭矩為正；反之，扭矩為負(fù)，如圖2-27所示。圖2-27確定扭矩方向示意圖3．圓軸扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力圓軸扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，各橫截面繞軸線相對轉(zhuǎn)動，橫截面上只有切應(yīng)力，切應(yīng)力的方向垂直于半徑，且沿半徑線性分布，切應(yīng)力指向與扭矩的轉(zhuǎn)向一致。圓軸扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，其橫截面圓心處的切應(yīng)力為零，圓周邊緣上各點(diǎn)的切應(yīng)力最大，同一圓周上各點(diǎn)的切應(yīng)力相等。圖2-28實(shí)心圓軸和空心圓軸的切應(yīng)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(nèi)的外力偶作用時(shí)，桿件的軸線將由直線變?yōu)榍€，這種變形稱為彎曲變形?！褚詮澢冃螢橹鞯臉?gòu)件稱為梁?！癞?dāng)外力或外力偶作用在梁的縱向?qū)ΨQ面內(nèi)時(shí)，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(jī)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?！駪冶哿菏侵噶旱囊欢斯潭?，另一端自由的梁?！裢馍炝菏侵负喼Я旱囊欢嘶騼啥松扉L于支座以外，并在外伸端有載荷作用。3．梁的內(nèi)力確定梁的內(nèi)力可采用截面法。為了確定任一截面m-m的內(nèi)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(gè)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(gè)內(nèi)力分量：剪力和彎矩。圖2-32簡支梁內(nèi)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(jù)梁的變形情況，對剪力、彎矩的符號規(guī)定如下：在梁橫截面處取微段梁，凡使微段梁產(chǎn)生左側(cè)向上、右側(cè)向下相對錯(cuò)動變形的剪力為正（圖2-33a），反之為負(fù)（圖2-33b）；凡使微段梁產(chǎn)生上凹下凸彎曲變形的彎矩為正（圖2-34a），反之為負(fù)（圖2-34b）。按此規(guī)定，正的剪力使微段梁產(chǎn)生順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。如果將梁設(shè)想成由無數(shù)縱向纖維所組成，正的彎矩使梁下側(cè)的縱向纖維受拉，上側(cè)的縱向纖維受壓。a）b）a）b）圖2-33剪力的正負(fù)號規(guī)定圖2-34彎矩的正負(fù)號規(guī)定4．純彎曲時(shí)梁橫截面上的正應(yīng)力●如果梁的各截面只有彎矩而無剪力時(shí)，此類彎矩變形稱為純彎曲。梁純彎曲時(shí)，梁的橫截面上只有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力。如果將梁設(shè)想成由無數(shù)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(qū)和受壓區(qū)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(shí)，梁的橫截面繞中性軸轉(zhuǎn)動。中性軸一側(cè)為拉應(yīng)力，另一側(cè)為壓應(yīng)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(yuǎn)的截面上、下邊緣上，分別具有最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力；梁的橫截面上距離中性軸等距離的各點(diǎn)的正應(yīng)力相同，梁的中性軸上各點(diǎn)（y=0）的正應(yīng)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(yīng)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(fā)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(qiáng)。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(jī)械工程中，為了提高梁的抗彎能力、減輕自重和節(jié)省材料，常根據(jù)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(yīng)力都接近許用應(yīng)力，即將梁設(shè)計(jì)成“等強(qiáng)度梁”。例如，飛機(jī)的機(jī)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(jī)械工程中的應(yīng)用實(shí)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(gòu)件發(fā)生拉伸（或壓縮）變形、剪切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形中的一種變形的情形，稱為基本變形?！駱?gòu)件同時(shí)發(fā)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(zhuǎn)變形。圖2-42齒輪軸的彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形模塊七壓桿穩(wěn)定、交變應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度一、壓桿穩(wěn)定●壓桿不能保持原有直線平衡狀態(tài)而突然變彎的現(xiàn)象，稱為壓桿失穩(wěn)。粗短壓桿和細(xì)長壓桿的失效是截然不同的，前者是強(qiáng)度問題，后者是穩(wěn)定性問題。機(jī)械工程中有許多承受壓力的桿件，如柴油機(jī)的連桿、液壓缸的活塞桿、起重機(jī)的撐桿、托架中的壓桿等，為了保證其安全工作，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮其強(qiáng)度、剛度，還要考慮其穩(wěn)定性。a）液壓缸的活塞桿b）起重機(jī)的撐桿圖2-43液壓缸的活塞桿和起重機(jī)的撐桿二、交變應(yīng)力●交變應(yīng)力是隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的應(yīng)力。例如，火車輪軸m-m橫截面上任一點(diǎn)A的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，隨著軸的轉(zhuǎn)動，A點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動位置變化順序是1→2→3→4→1（圖2-44b），A點(diǎn)應(yīng)力也經(jīng)歷了從的變化順序。因此，A點(diǎn)的應(yīng)力是隨時(shí)間作周期性變化的。圖2-44火車輪軸的應(yīng)力變化規(guī)律三、疲勞強(qiáng)度1．疲勞失效的特征●疲勞失效（或疲勞破壞）是在交變應(yīng)力作用下構(gòu)件產(chǎn)生可見裂紋或斷裂的現(xiàn)象。疲勞失效具有以下特征：（1）工作應(yīng)力低。（2）破壞表現(xiàn)為脆性斷裂。即使是塑性很好的材料，破壞時(shí)斷口處也無明顯的塑性變形。（3）斷口由疲勞源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)三部分組成。（4）斷裂前經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)作用，即構(gòu)件運(yùn)行了一定時(shí)間。（5）疲勞失效往往是突然發(fā)生的，事先無明顯預(yù)兆，一旦發(fā)生破壞，往往會造成嚴(yán)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(nèi)部存在一些缺陷，構(gòu)件設(shè)計(jì)存在的缺陷，構(gòu)件表面在機(jī)械加工后留下的刀痕等，當(dāng)交變應(yīng)力超過一定限度并經(jīng)歷了足夠多次的反復(fù)作用后，便在構(gòu)件中應(yīng)力最大處和材料的缺陷處產(chǎn)生了微細(xì)的裂紋，即形成了裂紋源。3．疲勞強(qiáng)度●材料的疲勞強(qiáng)度是材料在交變應(yīng)力作用下，能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼的抗拉強(qiáng)度≤1400MPa時(shí)，其疲勞強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的一半。4．影響構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的主要因素（1）材料的屈服強(qiáng)度越高，其疲勞強(qiáng)度也越高。（2）構(gòu)件表面加工質(zhì)量高，疲勞強(qiáng)度也越高。（3）通過表面處理對構(gòu)件表面進(jìn)行強(qiáng)化，可改善構(gòu)件表面層質(zhì)量，提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。（4）在構(gòu)件的形狀和尺寸突變處，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。（5）構(gòu)件的尺寸越大，所包含的缺陷越多，出現(xiàn)裂紋的概率越大，因此，其疲勞強(qiáng)度越低。三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動1．相互討論扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形的特點(diǎn)。2．同學(xué)們根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，列舉物體或零件的發(fā)生疲勞斷裂的現(xiàn)象，看誰列舉的實(shí)例典型。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1．重點(diǎn)：提高圓軸抗扭能力、提高梁抗彎能力的措施。2．難點(diǎn)：疲勞現(xiàn)象及疲勞強(qiáng)度。五、教學(xué)方法與教學(xué)手段1．利用試樣、掛圖等教具。2．利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。六、小結(jié)與布置作業(yè)1．小結(jié)熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。2．布置作業(yè)盡量獨(dú)立完成相應(yīng)章節(jié)中的復(fù)習(xí)思考習(xí)題，必要時(shí)可相互交流與探討相關(guān)問題。教案九一、教學(xué)組織1．新課導(dǎo)入（10分鐘）2．講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）3．學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）4．課堂小結(jié)（5分鐘）5．布置作業(yè)（2分鐘）二、教學(xué)內(nèi)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(jié)構(gòu)材料。工程材料按組成特點(diǎn)分類，可分為金屬材料、陶瓷材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)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?！袷褂眯阅苁侵腹こ滩牧蠟楸ＷC機(jī)械零件或工具正常工作應(yīng)具備的性能，即在使用過程中所表現(xiàn)出的特性。使用性能包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、生物功能?！窆に囆阅苁侵腹こ滩牧显谥圃鞕C(jī)械零件和工具的過程中，適應(yīng)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(tài)下呈不透明的固體狀態(tài)，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有一定的強(qiáng)度和塑性，并具有特殊光澤的物質(zhì)?！窠饘俨牧鲜怯山饘僭鼗蛞越饘僭貫橹鳎渌饘倩蚍墙饘僭貫檩o構(gòu)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?！窈辖鹗怯梢环N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(jié)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?！皲撹F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?！穹氰F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(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱，是用天然的或人工合成的粉狀化合物，通過成形和高溫?zé)Y(jié)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(jī)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(gòu)成的材料，它分為有機(jī)高分子材料和無機(jī)高分子材料。有機(jī)高分子材料按用途和使用狀態(tài)分類，可分為塑料、橡膠、膠粘劑、合成纖維等。六、復(fù)合材料概述●復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物理或化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)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(fù)合后，通常是其中一種材料作為基體材料，起粘結(jié)作用；另一種材料作為增強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.02%～2.11%之間的鐵碳合金的統(tǒng)稱?！耔T鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金。鋼按化學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2.11%以下并含有少量其他元素的鋼鐵材料?！駷榱烁纳其摰哪承┬阅芑蚴怪哂心承┨厥庑阅埽ㄈ缒透g性、抗氧化性、耐磨性、熱硬性、高淬透性等），在煉鋼時(shí)有意加入的元素，稱為合金元素?！窈幸环N或數(shù)