零部件所受的各种负荷

1.1　零部件所受的各种负荷

工程构件与机械零件（以下简称构件或零件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用，有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀、电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。

1.1.1　力学负荷

按载荷随时间变化而变化的情况，可把载荷分成静载荷和动载荷。若载荷缓慢地由零增加到某一定值以后保持不变或变化很不显著，即为静载荷。机器的重量对基础的作用便是静载荷。若载荷随时间的变化而变化，则为动载荷。按其随时间变化的方式，动载荷又可分为交变载荷与冲击载荷。交变载荷是随时间作周期性变化的载荷，例如齿轮转动时作用于每一个齿上的力都是随时间按周期性变化的。冲击载荷则是物体的运动在瞬时内发生突然变化所引起的载荷，例如急刹车时飞轮的轮轴、锻造时汽锤的锤杆等都受到冲击载荷的作用。

作用在机械零件上的静载荷分为拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等几种基本形式，如图1－1所示。

图1－1　静载荷的基本形式

1.拉伸和压缩载荷

拉伸载荷和压缩载荷是由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对力引起的。这类载荷使杆件的长度发生伸长或缩短。起吊重物的钢索、桁架的杆件、液压油缸的活塞杆等在工作时都受到拉伸载荷或压缩载荷的作用，有可能产生拉伸或压缩变形。

2.剪切载荷

剪切载荷是由大小相等、方向相反、作用线垂直于杆轴且距离很近的一对力引起的。剪切载荷使受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对的错动。机械中常用的连接件（如键、销钉、螺栓等）都受剪切载荷作用，有可能产生剪切变形。

3.扭转载荷

扭转载荷是由大小相等、方向相反、作用面垂直于杆轴的一对力偶引起的，扭转载荷使杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。汽车的传动轴、电动机和水轮机的主轴等都是受扭转载荷作用，有可能产生扭转变形。

4.弯曲载荷

弯曲载荷是由垂直于杆件轴线的横向力，或者由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶引起的。弯曲载荷使杆件轴线由直线变为曲线即发生弯曲。在工程中，杆件受弯曲载荷作用是最常遇到的情况之一。桥式吊车的大梁、各种心轴及车刀等都受弯曲载荷作用，有可能产生弯曲变形。

很多零件工作时同时承受几种载荷作用，例如车床主轴工作时承受弯曲、扭转与压缩等三种载荷作用，钻床立柱同时承受拉伸与弯曲两种载荷作用，此时将有可能产生组合变形。

1.1.2　热负荷

有些零件和结构是在高温条件下服役的，高温使材料的力学性能下降，并可能产生一系列的热影响。

首先，高温下材料的强度随温度升高而降低，高温下材料的强度随加载时间的延长而降低（在低温下材料的强度不受加载时间的影响）。例如，20钢试样在450℃的短时抗拉强度为330MPa，若试样仅承受230MPa的应力，但在该温度下持续工作300h就会发生断裂；如果将应力降至120MPa，要持续10　000h才会发生断裂。在给定温度和规定的时间内使试样发生断裂的应力称为持久强度。

其次，材料在长时间的高温作用下，即使应力小于屈服强度也会慢慢地产生塑性变形，这种现象称为高温蠕变。一般来说，只有当温度超过0.3　Tm（Tm为材料的熔点，以热力学温度K为单位）时才出现较明显的蠕变。

再次，高温下对许多材料尤其是金属材料要求其具有抗氧化的能力。

另外，许多零件在不断变化的温度条件下工作，若受较快的加热及冷却，零件将受到热冲击作用，如将Al₂O₃陶瓷管直接放入1　200℃的盐浴中，会立即发生爆裂。一般而言，零件各部分受热（或冷却）不均匀引起的膨胀（或收缩）量不一致，因而在零件内部产生应力，此应力称为热内应力。热内应力将使零件产生热变形，或者降低零件的实际承载能力。温度交替变化引起热应力的交替变化，交变的热内应力会引起材料的热疲劳。

1.1.3　环境介质的作用

环境介质对金属零件的作用主要在腐蚀和摩擦磨损两个方面；环境介质对高分子材料零件的作用主要表现为老化。

1.腐蚀作用

由于金属材料的化学性质相对活泼，容易受到环境介质的腐蚀作用。根据腐蚀的过程和腐蚀机理，可将腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三大类。化学腐蚀是指材料与周围介质直接发生化学反应，但反应过程中不产生微电流的腐蚀过程；电化学腐蚀是指金属与电解质溶液接触时发生电化学反应，反应过程中有微电流产生的腐蚀过程；物理腐蚀是指由于单纯的物理溶解而产生的腐蚀。

2.摩擦磨损作用

机器运转时，任何在接触状态下发生相对运动的零件，如轴与轴承、活塞环与气缸套、十字头与滑块、齿轮与齿轮等，彼此之间都会发生摩擦。零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象称为磨损。磨损的类型很多，最常见的有黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点腐损（即接触疲劳）四种。

3.老化作用

高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受各种环境因素（如温度、日光、电、辐射、化学介质等）的作用而导致性能逐渐变坏，以致丧失使用价值的现象称为老化。例如，农用薄膜经日晒雨淋，发生变色、变脆和透明度下降；玻璃钢制品长期暴露在大气中，其表面逐渐露出玻璃纤维（起毛）、变色、失去光泽并且强度下降；汽车轮胎和自行车轮胎贮存或使用中发生龟裂等均为老化现象。