高考中如何分析轴类零件的强度与选材

在高考中分析轴类零件的强度与选材，需结合材料力学、机械设计基础以及材料科学的知识。以下是具体分析框架和要点：

一、轴类零件的强度分析

1. 明确受力类型与应力分布

主要载荷：轴通常承受弯曲应力（交变载荷）、扭转载荷（传递扭矩）、轴向载荷（拉压应力）的复合作用。

应力分布特点：

弯曲、扭转时，应力由表面向中心递减，表面需高硬度和耐磨性。

拉压载荷时，应力沿截面均匀分布，需材料整体性能稳定。

关键校核点：最大弯曲应力（σ_max）、扭转切应力（τ_max）、疲劳强度（交变载荷下的疲劳寿命）。

2. 强度校核方法

静强度校核：根据材料屈服极限（σ_s）或抗拉强度（σ_b），校核安全系数（n=σ_s/σ_max）。

疲劳强度校核：考虑交变载荷下的疲劳极限（σ_-1），需引入应力集中系数（K_σ）和尺寸系数（ε）修正。

组合变形校核：弯扭组合时，使用第三或第四强度理论（最大切应力理论或畸变能理论）计算当量应力σ_eq。

3. 失效形式与预防

疲劳断裂：因交变应力导致裂纹扩展，需提高表面质量（如表面淬火、喷丸处理）。

过量变形或断裂：通过优化轴径尺寸或选择高强度材料（如合金钢）。

表面磨损：轴颈、花键等部位需高硬度（如表面淬火、渗碳处理）。

二、轴类零件的选材原则

1. 材料性能要求

综合力学性能：中碳钢（如45钢）经调质处理（淬火+高温回火），获得高强度和韧性平衡。

耐磨性：高碳钢或合金钢（如GCr15、20CrMnTi）经表面淬火或渗碳处理，提高表面硬度。

耐腐蚀性：不锈钢（如304）或表面镀层（如镀铬）用于潮湿或腐蚀环境。

2. 选材与热处理工艺

普通轴（轻载、低速）：45钢调质处理（220-250HBS）。

重载或精密轴（如机床主轴）：40Cr、40MnB合金钢调质+局部表面淬火（硬度45-53HRC）。

冲击载荷大：低碳合金钢（20Cr、20CrMnTi）渗碳淬火，获得“硬表韧心”结构。

高温或耐腐蚀轴：38CrMoAl氮化钢（表面氮化处理）。

3. 其他影响因素

成本与经济性：普通碳钢（如Q235）用于不重要轴；铸铁（球墨铸铁）用于复杂形状（如曲轴）。

加工性能：易切削钢（如45钢）适合复杂轴加工；锻造毛坯提高内部致密性。

轻量化：铝合金或钛合金用于高速轴，但需校核强度是否达标。

三、高考典型例题分析

例题：某机床主轴承受交变弯曲应力和扭转应力，需选择材料并设计热处理工艺。

1. 强度分析：

计算最大弯曲应力和扭转切应力。

按第四强度理论合成当量应力，校核安全系数。

2. 选材与工艺：

材料选择：45钢（综合性能好）。

热处理工艺：调质（220-250HBS）+轴颈高频淬火（48-53HRC）。

四、答题技巧

1. 分步论述：先分析受力，再校核强度，最后结合选材与工艺。

2. 引用专业术语：如“调质处理”“疲劳极限”“应力集中”等。

3. 结合实际案例：例如曲轴选用球墨铸铁，兼顾强度与铸造工艺。

通过以上分析框架，考生可系统回答轴类零件的强度与选材问题，结合具体题目数据灵活应用。建议参考教材案例（如《机械设计基础》第7章）加深理解。