《材料的疲劳特性》PPT课件.ppt

1 材料的疲劳特性 2 机械零件的疲劳强度计算 3 机械零件的抗断裂强度 4 机械零件的接触强度 第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度 1 1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性 疲劳失效的特点 第二章第二章 机械零件的疲劳强度及轴的设计计算机械零件的疲劳强度及轴的设计计算 机械零件的强度，是指机械零件抵抗各种机械性破坏的能力。 早期的机械零件强度设计只限于静强度计算。到了19世纪中叶，从 火车轮轴大量疲劳断裂的事故中发现了在交变应力作用下的疲劳破 坏现象，开始了对疲劳强度的研究。实际上，常用的机械零件很多 是在交变应力作用下工作的，疲劳破坏是其主要的失效形式之一。 工作应力值较低； 疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂； 疲劳断口特征： 贝壳纹 变应力的种类 变应力的特征参数 平均应力 应力幅 循环特征（应力比） 稳定循环 变应力 非稳定循 环变应力 随机性非稳 定变应力 规律性非稳 定变应力 变应力的种类 对称循环变应力 脉动循环变应力 非对称循环变应力 稳定循环变应力的分类 max=min a=0 m=max r= +1 max r = 0 max= -min=a min r= -1 a a max min m -1 r1静应力脉动循环 变应力 对称循环 变应力 任意不对称 循环变应力 min=0 t 0 a m=a a m=0 A B C D max N 疲劳强度的基本理论 次疲劳区 次疲劳区 低周疲劳区 （应变疲劳） 低周疲劳区 N=104 高周疲劳区 （应力疲劳） 高周疲劳区 N=106 疲劳破坏疲劳破坏 的类型的类型 应变疲劳（低应变疲劳（低 周循环周循环） 应力疲劳（高应力疲劳（高 周循环）周循环） 特点：应力水平高，循环次数少。材料因 应变疲劳而破坏，用许用应变值来控制 特点：应力水平低，循环次数多。材料因 应力疲劳而破坏，用许用应力值来控制 特点：应力水平低于某一 数值，裂纹停止扩展。 N 有限寿命区无限寿命区 (循环基数) 疲劳曲线方程（当NN0时） m、C为试验常数 N rN N0 r r NC 有限寿命疲劳 极限 持久疲劳极限 疲劳极限 寿命系数 必须注意必须注意： Nc是对应于材料疲劳曲线转折点的应力循环次数，而循环基数N是人 为规定的一个循环次数。设计手册中的N，可能等于Nc，也可能不等于Nc，这是查 手册时应当弄清楚的，不要把二者弄混淆了。 疲劳曲线（N 曲线） 疲劳曲线是用一批标准试件进行疲劳 实验并用统计处理的方法得到的。即 以规定的循环特征r的变应力（通常 取r =-1)加于标准试件，经过N次循 环后不发生疲劳破坏时的最大应力称 为疲劳极限应力rN。通过实验，可 以得到不同的rN时相应的循环次数N ，将结果绘制成疲劳曲线，即-N曲 线。 材料不同，疲劳曲线不同： 同样的材料，循环特性不同， 疲劳曲线不同： 可靠度不同，疲劳曲线不同： 通常，未加说明的疲劳曲线 ，均指循环特性 r = -1、可 靠度R=50%的疲劳曲线。 O A a m 疲劳极限应力图（适用于非对称循环变应力） B S B S 4545 曲线AC上方区域内 坐标点所对应的最大应 力值，都超过材料的疲 劳极限。 曲线AC下方区 域内坐标点所对 应的最大应力值 ，均低于材料的 疲劳极限。 C 1.疲劳极限应力图疲劳寿命一定时，应力比r不同，材料的疲劳极限rN亦不同 ，它们之间的关系可用平均应力（rm ）和应力幅（ra ）绘成的曲线图表示。 0/2 0/2 对称循环应 力点 静应力点（脆 性材料） 脉动循环应 力点 静应力点（塑 性材料） rm ra 1 曲线AC上任一坐标 点的变应力值代表材 料在某一循环特性下 的疲劳极限。 O A a m SC B 45 45 2.塑性材料极限应力线图的简化 E 直线ES 段方程 直线AE 段方程（ 用两点式求出） 等效系数，取 值见表 （0/2, 0/2） （0, 1） 有关扭转（剪应力）的简 化疲劳曲线方程及当量应 力幅计算式可仿照正应力 方法确定。 工程上为计算方便，用折线 AES近似代替曲线ABC。即折线上 任意点的坐标（rm、ra）代表 某一循环特性下的疲劳极限。 由上式可看出，非对称变应力可以转化 为对称循环疲劳极限-1。由此推论： 影响疲劳强度的主要因素三个方面： 1 应力集中的影响 零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会 产生应力集中，使局部应力大于公称应力。以疲劳缺口系数k（或k ）考虑其 对零件疲劳极限的影响。 几种典型机械零件的k、k 值附录表。 2 尺寸效应 零件尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大，疲劳强度就越 低。以尺寸系数（或）考虑其对零件疲劳极限的影响。 钢制零件的、值见附录表。 3 表面状态的影响 指零件表面粗糙度、表面强化的工艺效果及工作环境对零件疲劳极限的影 响。 以表面状态系数 考虑其影响。 各种表面状态的 值见附录表。 22 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 1 应力集中的影响：以疲劳缺口系数k（或k ）考虑其对零件疲劳极限 的影响。 2 尺寸的影响：以尺寸系数（或）考虑其对零件疲劳极限的影响。 3 表面状态的影响：以表面状态系数 考虑其影响。 4 综合影响系数 以上三个因素只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显影响。因此，为 简化计算，将三个系数综合为一个系数，称综合影响系数(k)D或(k)D。即 影响疲劳强度的主要因素三个方面： 22 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 稳定变应力机械零件的疲劳强度计算稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 对称循环下，疲劳强度条件式是： 许用应力法许用应力法 规定的安全系数 某些不对称循环下，疲劳强度条件式可取： 零件的许用应力幅 材料的对称循环 疲劳极限 稳定变应力机械零件的疲劳强度计算稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 安全系数法安全系数法 危险截面处 的安全系数 许用的安全系数 机械零件受单向应力，是 指其只承受单向正应力或单向 切应力。 对于试件，安全系数为： 对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为： 1. 单向稳定变应力的安全系数 或 或 当试件受对称循环应力作用时 当试件受非对称循环应力作用时 工作应力点m或n点，坐标为 （m，a），则： 极限应力点（试件的破坏点） M或N点，坐标为（rm，ra），在AES 线上 安全系数为： 不同的工作情况，工作应力增长的规律不同，极限应力点的 位置不同，常见的有三种 N（rm，ra）： M（rm，ra）： r =常数的情况 （例如：绝大多数转轴） 即纵、 横坐标之 比为常数 两个区域 OAE区：疲劳强度区 OSE区：静强度区 其安全系数见公式。 H H m=常数的情况 两个区域 OAEH区：疲劳强度区 SEH区：静强度区 （例如：振动着的弹簧） 其安全系数见见公式。 F min=常数的情况 两个区域 OGEF区：疲劳强度区 SEF区：静强度区 例如：紧螺栓联接的螺栓 承受轴向变载荷时 其安全系数见有关公式 G E 2、复合稳定循环变应力的安全系数 例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应 力状态下工作。 目前，对于复合循环变应力作用下的零件安全系数的计算， 理论和试验研究都很不充分；只对于周期相同、相位相同的弯 曲和扭转对称稳定循环变应力所组成的复合变应力的研究较成 熟。对于一般结构钢，当其同时有周期相同和相位相同的弯曲 和扭转对称稳定循环变应力时，弯、扭复合对称循环变应力下 的强度条件式为： 3、许用安全系数的选择 S、S为单向应力状态安全系数值。 课堂练习 2、图示的齿轮传动，试确定齿轮 B上轮齿的弯曲应力循环状态。 假定： （1）齿轮B为“惰轮”（中间轮） ，A为主动轮，c为从动轮。 （2）齿轮B为主动，A和C均为从 动轮。 1、如图所示某旋转轴受径向载 荷F=12kN作用，已知跨距L=1 6m，直径d55mm，轴的角 速度为，求中间截面上A点的 应力循环特性。 例如：专用机床的主例如：专用机床的主 轴及高炉上料机构的轴及高炉上料机构的 零件。这类问题应根零件。这类问题应根 据疲劳损伤累积假说据疲劳损伤累积假说 进行计算。进行计算。 非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 疲劳损伤累积理论Miner法则 规律性变幅循环变应力谱规律性变幅循环变应力谱 1、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤 时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。 2、假说的数学表达式： 非稳定循环非稳定循环 变应力变应力 规律性非稳定循规律性非稳定循 环变应力环变应力 随机循环变应力随机循环变应力 例如：汽车的钢板弹例如：汽车的钢板弹 簧。其载荷和应力受簧。其载荷和应力受 载荷大小、行车速度载荷大小、行车速度 、轮胎充气程度、驾、轮胎充气程度、驾 驶员的技术水平以及驶员的技术水平以及 路面状况等的影响。路面状况等的影响。 应根据试验，求载荷应根据试验，求载荷 变化的统计规律，然变化的统计规律，然 后用统计疲劳强度的后用统计疲劳强度的 方法去处理。方法去处理。 假设应力每循环一次都假设应力每循环一次都 对材料的破坏起相同的对材料的破坏起相同的 作用，则作用，则 1 1 每循环一次每循环一次 对材料的损伤率为对材料的损伤率为1/1/N N 1 1 。而。而n n 1 1 次循环的损伤率次循环的损伤率 就为就为n n 1 1 / /N N 1 1 ； 非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 疲劳损伤累积理论Miner法则 1、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤 时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。 2、假说的数学表达式： 非稳定循环非稳定循环 变应力变应力 规律性非稳定循规律性非稳定循 环变应力环变应力 随机循环变应力随机循环变应力 3、自从假说提出后，曾作了大量的实验研究，以验证假说的正确性。 试验证明：试验证明：当各个作用的应力幅无巨大的差别以及无短时的 强烈过载时，这个规律是正确的；当各级应力是先作用最大 的，然后依次降低时，式中的等号右边将小于1；当各级应 力是先作用最小的，然后依次升高时，则式中等号右边要大于 1。 0.72.2 按损伤等效的原则将零件承受的规律性非稳定变应力折算成等效稳定变应力。按损伤等效的原则将零件承受的规律性非稳定变应力折算成等效稳定变应力。 按等效稳定变应力进行强度计算，有两种方法：按等效稳定变应力进行强度计算，有两种方法： 等效循环次数法；等效循环次数法；等效等效 应力法。应力法。 损伤等效的原则是：等效后应力的寿命损伤率等于规律性非稳定变应力中各应损伤等效的原则是：等效后应力的寿命损伤率等于规律性非稳定变应力中各应 力的累积寿命损伤率之和。力的累积寿命损伤率之和。 如设：在等效应力如设：在等效应力 v v 作用下的疲劳寿命是作用下的疲劳寿命是N N 1 1 次，循环的等效次数是次，循环的等效次数是N N v v 次，其寿次，其寿 命损伤率为：命损伤率为： 。 左端分子分母同乘以 右端分子分母同乘以 按寿命损伤等效原则： 说明寿命损伤与说明寿命损伤与 v v 和和N N v v 有关有关 非稳定变应力疲劳强度计算非稳定变应力疲劳强度计算 1、 等效循环次数法 如：取 1 1 作为计算的 基准应力，用 v v 表示； 由: 将等效循环次数作为有限寿命看待，然后求 对应的有限寿命疲劳极限-1v 当规律性变幅循环应力中各应