第六章机械产品设计中的几个主要技术问题

1、1 第六章第六章 机械产品设计中的几个主要技术问题机械产品设计中的几个主要技术问题 第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计 一、疲劳破坏的机制和特点一、疲劳破坏的机制和特点 1 1、概念、概念 1 1）疲劳：材料或零件在循环应力和应变作用下，在）疲劳：材料或零件在循环应力和应变作用下，在 一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一 定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称 为疲劳。为疲劳。 2 2 2）交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件）交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件 受到载荷值随

2、时间变化的交变载荷作用，使零件的受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的 材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布，材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布， 称之为交变应力或交变应变。称之为交变应力或交变应变。 3 3）疲劳失效：在交变应力与交变应变的作用下构）疲劳失效：在交变应力与交变应变的作用下构 件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象 称之为疲劳失效；称之为疲劳失效； 4 4）疲劳强度：试件抵抗疲劳失效的能力称之为材料）疲劳强度：试件抵抗疲劳失效的能力称之为材料 的疲劳强度。衡量材料或结构疲劳强度大小的指标的疲劳强度。衡量材料或

3、结构疲劳强度大小的指标 之一是之一是“疲劳强度极限疲劳强度极限”，简称，简称“疲劳极限疲劳极限”。 3 2 2、疲劳破坏机理、疲劳破坏机理 疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳破坏一般可分为三个阶段： (1)(1)疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生 由局部塑件应变集中引起，由局部塑件应变集中引起， 有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；晶界和有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；晶界和 孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。 如：滑移带开裂的过程是出如：滑移带开裂的过程是出 现滑移线，在循环载荷作用下，现滑移线，在循环载荷作用下， 随着载荷作用次数的增加，滑

4、随着载荷作用次数的增加，滑 移线不断增多和变粗而形成滑移线不断增多和变粗而形成滑 移带和驻留滑移带。滑移结果，移带和驻留滑移带。滑移结果， 在驻留滑移带上形成在驻留滑移带上形成“挤入挤入” 或或“挤出挤出”现象，在继续循环现象，在继续循环 加载的情况下挤入部分向滑加载的情况下挤入部分向滑 移带纵深发展，从而形成疲劳移带纵深发展，从而形成疲劳 微裂纹。如图微裂纹。如图72示。示。 4 (2)疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段：疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段： 当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移 带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移

5、面取向与带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与 正应力大致成正应力大致成45角的滑移面扩展。裂纹沿着最大角的滑移面扩展。裂纹沿着最大 切应力方向的滑移面扩展称为疲劳裂纹第一扩展阶切应力方向的滑移面扩展称为疲劳裂纹第一扩展阶 段。该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长段。该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长 度，其范围在度，其范围在25个晶粒之内。个晶粒之内。 当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后，当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后， 裂纹扩展方向开始由应力呈裂纹扩展方向开始由应力呈45方向逐渐转向与应方向逐渐转向与应 力成垂直的方向，这种拉伸形式的扩展称为第二阶力成垂直的

6、方向，这种拉伸形式的扩展称为第二阶 段裂纹扩展，如图段裂纹扩展，如图7-1示。示。 5 (3)(3)失稳断裂失稳断裂 损伤逐渐积累到临界值时，即发生损伤逐渐积累到临界值时，即发生 瞬间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图瞬间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图7 72 2。 6 3 3、疲劳破坏有如下特点：、疲劳破坏有如下特点： 1 1）疲劳断裂应力）疲劳断裂应力( (即循环应力中最大应力即循环应力中最大应力) )远比静远比静 应力下材料的抗拉极限应力下材料的抗拉极限b b低，甚至比材料的屈服低，甚至比材料的屈服 极限极限s s低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。 2 2）

7、不论是脆性材料或塑性材料；疲劳断裂在宏观）不论是脆性材料或塑性材料；疲劳断裂在宏观 上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。 3 3）疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的，）疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的， 因而要经历一定的时间，甚至很长时间。因而要经历一定的时间，甚至很长时间。 4 4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很 多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感 地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条

8、件和 所处环境等。所处环境等。 7 5 5）在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏）在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏 断口的显著特点，即有疲劳源断口的显著特点，即有疲劳源( (或称疲劳核心或称疲劳核心) )、疲、疲 劳裂纹扩展区和瞬断区，如图劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7 72 2所示。所示。 疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面； 疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口最重要的特征区域，疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口最重要的特征区域， 在该区域中，常见到明显的相互平行的弧形线，称在该区域中，常见到明显的相互平行的弧形线，称 贝纹线或海滩波纹线；贝

9、纹线或海滩波纹线； 瞬断区：也称最终破断区。这是静力破断部分。该瞬断区：也称最终破断区。这是静力破断部分。该 区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤 维状，对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的维状，对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的 唇边、刃口等。唇边、刃口等。 8 二、载荷类型二、载荷类型 掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条 件，按照交变应力的特征，可分为：对称循环、脉件，按照交变应力的特征，可分为：对称循环、脉 动循环、不对称循环动循环、不对称循环 (应力比应力比r)。 9 三、疲劳曲

10、线、疲劳极限三、疲劳曲线、疲劳极限 1 1疲劳曲线（疲劳曲线（S SN N曲线）曲线） 材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称 为疲劳寿命，以为疲劳寿命，以N N表示。一般情况下，材料的强度极表示。一般情况下，材料的强度极 限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长；限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长； 反之，疲劳寿命愈短。反之，疲劳寿命愈短。 S S一一N N曲线：表示外加应力水平和标推试样疲劳寿命之曲线：表示外加应力水平和标推试样疲劳寿命之 关系的曲线，称为材料的关系的曲线，称为材料的S S一一N N曲线。曲线。 10 图图7

11、74 4表示典型的表示典型的S S一一N N曲线。图中曲线有一水平曲线。图中曲线有一水平 部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相 应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限，用应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限，用-1-1表表 示。结构钢的示。结构钢的S S一一N N曲线都有一水平的渐近线，其曲线都有一水平的渐近线，其 纵坐标就是其疲劳极限纵坐标就是其疲劳极限-1-1。 在一组标准试件 上施加不同载荷F， 使试件承受应力 比r为某值。最大 应力为maxmax 的交 变应力作用，将 试样旋转直到疲 劳破坏为止，并 记录循环次数N。 11 如将如将S SN N

12、曲线的纵坐标和横坐标都取成对数，则曲线的纵坐标和横坐标都取成对数，则S S 一一N N曲线就成为一条斜直线和一条水平线组成的折线。曲线就成为一条斜直线和一条水平线组成的折线。 如图如图7-57-5所示。图中斜直线的方程为：所示。图中斜直线的方程为： 式中式中m m和和c c是材料常数，与材料性质，试样形式和加是材料常数，与材料性质，试样形式和加 载方式有关。两条直线的交点载方式有关。两条直线的交点N N0 0称为循环基数。钢的称为循环基数。钢的 N N0 0约为约为10107 7。两直线交点的纵坐标就是疲劳极限。两直线交点的纵坐标就是疲劳极限-1-1。 12 2.2.疲劳极限的经验公式疲劳极限

13、的经验公式 当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料 的静强度机械性能来近似计算、表的静强度机械性能来近似计算、表7 7l l中列出材料中列出材料 的疲劳极限与静强度的关系。的疲劳极限与静强度的关系。 13 3. 3.疲劳极限图疲劳极限图( (疲劳图疲劳图) ) 在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳 极限极限r r，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。 常用的疲劳曲线图有两种、即海夫因和史密斯图，常用的疲劳曲线图有两种、即海夫因和史密斯图， 这里重点介绍海夫因。

14、这里重点介绍海夫因。 把不同的应力比把不同的应力比r r下试下试 验得到的疲劳极限，画验得到的疲劳极限，画 在一张图上，该图叫疲在一张图上，该图叫疲 劳极限图劳极限图 14 四、影响疲劳强度的因素四、影响疲劳强度的因素 影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为 四个方面：一是材料本身的化学成分、金相组织及内四个方面：一是材料本身的化学成分、金相组织及内 部缺陷等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；三部缺陷等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；三 是工作载荷的特性；四是工作环境及条件等。本节只是工作载荷的特性；四是工作环境及条件等。本节只 讨论在常

15、规工作条件下的主要影响因素：零件形状、讨论在常规工作条件下的主要影响因素：零件形状、 尺寸、表面状况等对疲劳强度的影响。尺寸、表面状况等对疲劳强度的影响。 15 1 1应力集中的影响应力集中的影响 在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽 沟、轴肩、孔、拐角，切口等截面变化。这些外形突沟、轴肩、孔、拐角，切口等截面变化。这些外形突 然变化和材料不连续地方，常产生很大的局部应力，然变化和材料不连续地方，常产生很大的局部应力， 即称应力集中。在抗疲劳设计中，为计算应力集中的即称应力集中。在抗疲劳设计中，为计算应力集中的 影响，引入了理论应力集中系

16、数影响，引入了理论应力集中系数。其定义为：在弹。其定义为：在弹 性变形范围内材料的局部应力峰值与名义应力值之比性变形范围内材料的局部应力峰值与名义应力值之比 称理论应力集中系数，即：称理论应力集中系数，即： 16 用理论应力集中系数不能直接判断局部应力使疲用理论应力集中系数不能直接判断局部应力使疲 劳强度降低多少，因为在不同材料中有不同的表劳强度降低多少，因为在不同材料中有不同的表 现。常用有效应力集中系数现。常用有效应力集中系数K来表示疲劳强度的来表示疲劳强度的 真正降低程度。即：真正降低程度。即： 17 2尺寸效应尺寸效应 当其它条件相同时，零件截面尺寸愈大其疲劳极限当其它条件相同时，零件

17、截面尺寸愈大其疲劳极限 也愈低。这是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的也愈低。这是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的 概率高和表面冷作硬化层相对薄等。概率高和表面冷作硬化层相对薄等。 截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用尺寸系数截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用尺寸系数表表 示，示，定义为直径为定义为直径为d的试件疲劳极限的试件疲劳极限-1d与直径为与直径为d0 (610)mm试件的疲劳极限试件的疲劳极限-1d0 的比值，即的比值，即: = -1d / -1d0 3表面状态的影响表面状态的影响 表面强化可提高疲劳强度，而表面粗糙会降低疲劳强度表面强化可提高疲劳强度，而表面粗糙会降低疲劳强

18、度 。表面状态对疲劳的影响可用表面状态系数。表面状态对疲劳的影响可用表面状态系数表示。表示。 = -1 / -1 -1某种表面状态下的疲劳极限；某种表面状态下的疲劳极限； -1精抛光和未强化试件的疲劳极限。精抛光和未强化试件的疲劳极限。 18 五、疲劳设计五、疲劳设计 现行的疲劳设计法主要有以下几种：现行的疲劳设计法主要有以下几种： 1 1名义应力疲劳设计法名义应力疲劳设计法 以名义应力为基本设计参数，以以名义应力为基本设计参数，以S SN N曲线为主要曲线为主要 设计依据的疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法设计依据的疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法 。这种设计方法历史最悠久，也称为常规疲劳

19、设计。这种设计方法历史最悠久，也称为常规疲劳设计 法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又可分为法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又可分为 无限寿命设计法与有限寿命设计法：无限寿命设计法与有限寿命设计法： (1)(1)无限寿命设计法无限寿命设计法 要求零件在无限长的使用期要求零件在无限长的使用期 限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限，也就是限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限，也就是 S SN N曲线的水平部分。曲线的水平部分。 (2)(2)有限寿命设计法有限寿命设计法 要求零件在一定的使用期限要求零件在一定的使用期限 内不破坏，其主要设计依据是内不破坏，其主要设计依据是S SN N曲线的斜线

20、部分曲线的斜线部分 。这种设计方法常称为安全寿命设计法。这种设计方法常称为安全寿命设计法。 19 2. 2.局部应力应变分析法局部应力应变分析法 局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发 展起来的一种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数展起来的一种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数 为应变集中处的局部应变和局部应力。为应变集中处的局部应变和局部应力。 3 3损伤容限设计法损伤容限设计法 损伤容限设计法是在断裂力学的基础上发展起来损伤容限设计法是在断裂力学的基础上发展起来 的一种疲劳设计方法。其设计思想以承认材料内有的一种疲劳设计方法。其设计思想以承认材料内有

21、初始缺陷为前提，并把这种初始缺陷看作裂纹，根初始缺陷为前提，并把这种初始缺陷看作裂纹，根 据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余 寿命。这种方法的思路是，零件内具有裂纹是不可寿命。这种方法的思路是，零件内具有裂纹是不可 避免也并不可伯，只要正确估算其剩余寿命采取避免也并不可伯，只要正确估算其剩余寿命采取 适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够 安全使用，则这样的裂纹是允许存在的。安全使用，则这样的裂纹是允许存在的。 20 4. 4.疲劳可靠性设计疲劳可靠性设计 疲劳可靠性设计是概率统计方法和疲劳

22、设计方法疲劳可靠性设计是概率统计方法和疲劳设计方法 相结合的产物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计相结合的产物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计 方法考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据方法考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据 分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，因分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，因 此其设计精度比其它疲劳设计方法为高。从原则上来此其设计精度比其它疲劳设计方法为高。从原则上来 说，上述三种疲将设计方法都可以应用概率统计的方说，上述三种疲将设计方法都可以应用概率统计的方 法进行疲劳可靠性设计，但目前用得最多和最成熟法进行疲劳可靠性设计，但目前用得最

23、多和最成熟 的是无限寿命设计法。的是无限寿命设计法。 21 疲劳强度设计一般可分为两个阶段：疲劳强度设计一般可分为两个阶段： 1)疲劳计算。根据材料的疲劳数据和零件的使用疲劳计算。根据材料的疲劳数据和零件的使用 条件，对零件的尺寸进行计算，或在静强度设计的条件，对零件的尺寸进行计算，或在静强度设计的 基础上，零件的疲劳强度进行校核。基础上，零件的疲劳强度进行校核。 2)疲劳试验。疲劳计算只能对零件的疲劳强度或疲劳试验。疲劳计算只能对零件的疲劳强度或 寿命进行粗略估算寿命进行粗略估算,精确确定零件的疲劳寿命还主精确确定零件的疲劳寿命还主 要是靠疲劳试验的方法。要是靠疲劳试验的方法。 1无限寿命设

24、计无限寿命设计 在使用该种设计方法时，常是先用静强度设计确定在使用该种设计方法时，常是先用静强度设计确定 出零件尺寸，再进行疲劳强度校核出零件尺寸，再进行疲劳强度校核 。 22 （2 2）在非对称循环下，当应力比）在非对称循环下，当应力比r r保持不变时，保持不变时， 强度条件为：强度条件为： (1)在对称循环下，按下述强度条件确定零件在对称循环下，按下述强度条件确定零件 尺寸或验算疲劳强度尺寸或验算疲劳强度: 23 （3 3）在非对称循环下，平均应力）在非对称循环下，平均应力m m保持不变，应保持不变，应 用时要满足以下两式：用时要满足以下两式： 式中：式中：na应力幅安全系数。应力幅安全系

25、数。 对于切应力可仿照以上各式并以对于切应力可仿照以上各式并以代换代换即可。即可。 24 2 2安全寿命设计安全寿命设计 对于变幅应力，按一定的累积损伤理论进行寿命估对于变幅应力，按一定的累积损伤理论进行寿命估 算，对小于疲劳极限算，对小于疲劳极限r r的应力，可认为对疲劳强度无的应力，可认为对疲劳强度无 影响计算时可不予考虑。按线性损伤理论有：影响计算时可不予考虑。按线性损伤理论有： 25 六、低周疲劳六、低周疲劳 1 1、概念、概念: :在循环加载过程中，当应力水平很高，应力在循环加载过程中，当应力水平很高，应力 蜂值蜂值maxmax接近或高于屈服强度而进入塑性区时接近或高于屈服强度而进入

26、塑性区时, ,每一每一 应力循环有少量塑性变形，呈现应力循环有少量塑性变形，呈现滞后回线，以滞后回线，以 至循环次数很低时就产生疲劳破坏。至循环次数很低时就产生疲劳破坏。 用应力很难描述实际寿命的变化，因而改用应变用应力很难描述实际寿命的变化，因而改用应变 来描述。用来描述。用为纵坐标，用破坏时的循环次数为纵坐标，用破坏时的循环次数N Nf f为为 横坐标绘制低周疲劳曲线。因其控制因素是塑性应变横坐标绘制低周疲劳曲线。因其控制因素是塑性应变 幅，故称之为应变疲劳。幅，故称之为应变疲劳。 承受高应力水平的交变载荷的结构如压力容器、承受高应力水平的交变载荷的结构如压力容器、 汽轮机壳体、炮筒、飞机

27、的起落架等，应当考虑低周汽轮机壳体、炮筒、飞机的起落架等，应当考虑低周 疲劳的问题。疲劳的问题。 26 2 2、特点：、特点：1 1）应力水平高。）应力水平高。 maxmax s s 2 2）循环次数少。）循环次数少。N10N103 3 3 3）应变在疲劳破坏中起主要作用）应变在疲劳破坏中起主要作用 4 4）断裂寿命的变化对循环应力的高）断裂寿命的变化对循环应力的高 低已不敏感。低已不敏感。 27 3 3、-N-N曲线曲线 图图7-67-6为一些材料的低周疲劳为一些材料的低周疲劳-N-N曲线，与曲线，与S-NS-N曲线曲线 不同，这里的各条曲线的斜率很陡。不同，这里的各条曲线的斜率很陡。 破坏

28、时的循环次数破坏时的循环次数N Nf f 28 总应变幅总应变幅T由弹性应变幅由弹性应变幅e和塑性应变幅和塑性应变幅p组组 成。成。 T = = e + + p 从实验得到弹性应变幅为从实验得到弹性应变幅为: 29 式式7-14称为曼森称为曼森科芬方程科芬方程 30 由图由图7-77-7：直线：直线 是塑性应变幅与循环是塑性应变幅与循环 次数的关系曲线，直次数的关系曲线，直 线线是弹性应变幅与是弹性应变幅与 循环次数的关系曲线，循环次数的关系曲线， 两直线交于两直线交于P P点，点， P P 点是低、高周疲劳的点是低、高周疲劳的 分界点，分界点，2 2N Nt t为过渡为过渡 寿命。寿命。 根

29、据式根据式(7-l4)(7-l4)可得图可得图7-77-7对称循环全应变幅与对称循环全应变幅与 循环次数曲线循环次数曲线( (对数坐标对数坐标) )。 lg2Ntlg2Nt 31 4 4、疲劳试验曲线的获得、疲劳试验曲线的获得 只要有只要有4 4个点即可确定个点即可确定e e-N-N和和p p-N-N两条直线，两条直线， 而不需去做大量疲劳试验。四点作图法如图而不需去做大量疲劳试验。四点作图法如图7-137-13所示。所示。 P1P1对应于对应于1/4(1g1/4=-0.6)1/4(1g1/4=-0.6)循环循环( (即一次拉伸至破即一次拉伸至破 坏坏) )的应变幅度的弹性分量：的应变幅度的弹

30、性分量：e e 2.5(2.5(f fE)E) P2P2对应于对应于10105 5次循环的应变幅度的弹性分量次循环的应变幅度的弹性分量 e e 0.9(0.9(b bE)E) 连接连接P1P1与与P2P2两点，两点， 即得即得e eN N曲线曲线2 2。 32 33 用上述四点法求出的材料应变用上述四点法求出的材料应变寿命曲线，适合寿命曲线，适合 于碳钢、合金钢、铝、钛等几乎所有金属材料。于碳钢、合金钢、铝、钛等几乎所有金属材料。 通过整理通过整理2929种材料的疲劳试验结果得到：种材料的疲劳试验结果得到： 该式的斜率对多种材料通用。故又称该法为通用斜该式的斜率对多种材料通用。故又称该法为通用

31、斜 率法。率法。 T 34 5 5、材料的选用原则、材料的选用原则 分析如图分析如图7-87-8：当：当2 2N Nf f2N2Nt t时为低周疲劳，材料塑性应变时为低周疲劳，材料塑性应变 （塑性应变幅（塑性应变幅p）起主导作用。高塑性材料表现出高起主导作用。高塑性材料表现出高 的低周疲劳断裂抗力，所以在满足强度的要求下宜采用的低周疲劳断裂抗力，所以在满足强度的要求下宜采用 高塑性材料；高塑性材料； 当当2 2N Nf f2N2Nt t时为高周疲劳，材料的弹性应变（弹性应变时为高周疲劳，材料的弹性应变（弹性应变 幅幅e ）起主导作用。高强度材料表现出高的高周疲劳）起主导作用。高强度材料表现出高

32、的高周疲劳 断裂抗力，宜采用高强度材料。断裂抗力，宜采用高强度材料。 2 2N Nt t一般为一般为3 310103 3次。次。 35 七、结构疲劳试验简介七、结构疲劳试验简介 影响零件疲劳强度的因素不仅与材料成分、组影响零件疲劳强度的因素不仅与材料成分、组 织结构、热处理和冷加工规范、试验温度等有织结构、热处理和冷加工规范、试验温度等有 关而且与试件关而且与试件( (或零件或零件) )尺寸、应力状态、应力集尺寸、应力状态、应力集 中、试件表面状况、表面粗糙度、试验介质、与其中、试件表面状况、表面粗糙度、试验介质、与其 它零件的相互配合等有关。由于上述影响因素的随它零件的相互配合等有关。由于上

33、述影响因素的随 机性，致使测出的疲劳特性机性，致使测出的疲劳特性( (疲劳极限、疲劳极限、S-NS-N曲线和曲线和 疲劳寿命疲劳寿命) )呈离散性分布，更增加了零件疲劳强度呈离散性分布，更增加了零件疲劳强度 的复杂程度。的复杂程度。 为了提高零件的使用寿命，不仅要进行结构疲为了提高零件的使用寿命，不仅要进行结构疲 劳强度设计，还要对重要机械的零件、部件直至整劳强度设计，还要对重要机械的零件、部件直至整 机作结构疲劳试验。机作结构疲劳试验。 36 1 1结构疲劳试验的基本类型与特点结构疲劳试验的基本类型与特点 一般机械零件的疲劳试验分为零件疲劳试验、模一般机械零件的疲劳试验分为零件疲劳试验、模

34、拟疲劳试验和整机疲劳试验三类。拟疲劳试验和整机疲劳试验三类。 (1)(1)零件疲劳试验零件疲劳试验 零件疲劳试验是验证零件结零件疲劳试验是验证零件结 构疲劳设计质量能否满足使用强度要求的有效手构疲劳设计质量能否满足使用强度要求的有效手 段，同时也可利用所得数据充实和修正疲劳设计段，同时也可利用所得数据充实和修正疲劳设计 理论。理论。 在进行零件疲劳试验时，重点应做好试验规在进行零件疲劳试验时，重点应做好试验规 范、加载方案和加载参数的选择等问题。范、加载方案和加载参数的选择等问题。 37 (2)模拟试验模拟试验 大型机械零件的实物疲劳试验，往往因大型机械零件的实物疲劳试验，往往因 加载设备和场

35、地条件等限制而无法进行。为此，常加载设备和场地条件等限制而无法进行。为此，常 采用几何相似模拟或局部应力场模拟试验的方法。采用几何相似模拟或局部应力场模拟试验的方法。 3)整机疲劳试验整机疲劳试验 对于待别重要的机械和批量较大的对于待别重要的机械和批量较大的 机械，为了确保机械的可靠件，还必须在零件疲劳机械，为了确保机械的可靠件，还必须在零件疲劳 试验的基础上再作整机疲劳试验。这种试验可弥补试验的基础上再作整机疲劳试验。这种试验可弥补 因设计载荷确定误差、环境、运动件接触腐蚀等给因设计载荷确定误差、环境、运动件接触腐蚀等给 零件寿命带来的影响得出更有价值的数据。但是，零件寿命带来的影响得出更有

36、价值的数据。但是， 这种试验的费用较昂贵，应慎重选用。这种试验的费用较昂贵，应慎重选用。 38 2 2试验结构的统计处理试验结构的统计处理 由于结构疲劳强度影响因素的随机性，致使疲由于结构疲劳强度影响因素的随机性，致使疲 劳试验结果呈离散分布，为了以少量试件的试验结劳试验结果呈离散分布，为了以少量试件的试验结 果报知整批同样零件的疲劳特性，一般均采用数理果报知整批同样零件的疲劳特性，一般均采用数理 统计的方法处理结果数据，具体方法可参阅有关资统计的方法处理结果数据，具体方法可参阅有关资 料。料。 39 八、研究现状与发展趋势八、研究现状与发展趋势 国内外许多机械产品已广泛应用疲劳设计和疲劳国内

37、外许多机械产品已广泛应用疲劳设计和疲劳 强度试验，疲劳设计已由过去的名义应力设计发展强度试验，疲劳设计已由过去的名义应力设计发展 到局部应力应变设计及预测疲劳寿命的阶段，在断到局部应力应变设计及预测疲劳寿命的阶段，在断 裂力学研究的基础上又发展了损伤容限设计并在部裂力学研究的基础上又发展了损伤容限设计并在部 分产品中应用。分产品中应用。 目前存在的问题是缺乏疲劳设计的基础数据，更未目前存在的问题是缺乏疲劳设计的基础数据，更未 建立疲劳设计规范。特殊工况下的疲劳问题和模拟建立疲劳设计规范。特殊工况下的疲劳问题和模拟 实物工况的整机疲劳试验的研究尚处于探索阶段。实物工况的整机疲劳试验的研究尚处于探

38、索阶段。 今后国内外将着重研究损伤积累、随机疲劳、环今后国内外将着重研究损伤积累、随机疲劳、环 境与介质对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测方法、境与介质对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测方法、 复合应力下的多轴疲劳、弹塑性断裂准则、裂纹扩复合应力下的多轴疲劳、弹塑性断裂准则、裂纹扩 展、微裂纹与门槛值等。展、微裂纹与门槛值等。 40 第二节第二节 摩擦学设计摩擦学设计 摩擦学：是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联摩擦学：是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联 领域的科学与技术问题的综合学科领域的科学与技术问题的综合学科 研究课题：综合考虑机械系统中运动表面、能量和研究课题：综合考虑机械系统中运动表面、能

39、量和 材料的消耗问题。主要有相互作用两表面间的物理、材料的消耗问题。主要有相互作用两表面间的物理、 化学、机械作用；摩擦、磨损润滑的测量及计算方化学、机械作用；摩擦、磨损润滑的测量及计算方 法；阻摩材料及减摩材料，极端条件下的摩擦与磨法；阻摩材料及减摩材料，极端条件下的摩擦与磨 损以及润滑方面的理论。损以及润滑方面的理论。 41 一、摩擦学设计的基本内容一、摩擦学设计的基本内容 摩擦学是指研究表面相对运动中相互作用的行为摩擦学是指研究表面相对运动中相互作用的行为 特性包括摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科特性包括摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科 的科学。机器中相对运动的表面构成了一个摩擦的科学。

40、机器中相对运动的表面构成了一个摩擦 副，由于摩擦副的失效常会导致机器零件甚至整副，由于摩擦副的失效常会导致机器零件甚至整 个机器的工作失效。因此，为了保证机器能完成个机器的工作失效。因此，为了保证机器能完成 要求的功能，必须适时正确地引人摩擦学设计。要求的功能，必须适时正确地引人摩擦学设计。 摩擦学设计的主要目标是在确保实现运动要求功摩擦学设计的主要目标是在确保实现运动要求功 能的前提下，使摩擦副具有：能的前提下，使摩擦副具有： 最小的摩擦功耗；最小的摩擦功耗；最低制造和运行维护成本；最低制造和运行维护成本； 必要的可靠性和寿命；必要的可靠性和寿命；最大的生产率和经济最大的生产率和经济 性。性

41、。 42 摩擦学设计的基本内容包括：摩擦学设计的基本内容包括： (1)摩擦副设计摩擦副设计 包括摩擦副的类型选择、结构设计和材料选择。包括摩擦副的类型选择、结构设计和材料选择。 (2)润滑系统设计润滑系统设计 包括润滑剂和润滑方法的选择、润滑系统的包括润滑剂和润滑方法的选择、润滑系统的 构成和设计等。构成和设计等。 (3)状态监测及故障诊断系统设计状态监测及故障诊断系统设计 为了获得摩擦副当前运动状为了获得摩擦副当前运动状 态的信息，并判断出现非法运动的故障源包括温度、振动传态的信息，并判断出现非法运动的故障源包括温度、振动传 感器、油质监视器的设计或选用；信号传输的处理、分析和存感器、油质监

42、视器的设计或选用；信号传输的处理、分析和存 储等。储等。 (4)状态补偿和控制系统设计状态补偿和控制系统设计 当摩擦副的结构参数发生变化并当摩擦副的结构参数发生变化并 有可能成为故障时，该系统能提供附加的力、位移、刚度或阻有可能成为故障时，该系统能提供附加的力、位移、刚度或阻 尼等补偿措施，继续使机器保持要求的运动精度和功能。尼等补偿措施，继续使机器保持要求的运动精度和功能。 本节将着重介绍摩擦学设计中有关摩擦、磨损、材料选择和本节将着重介绍摩擦学设计中有关摩擦、磨损、材料选择和 润滑方面的基础知识。润滑方面的基础知识。 43 二、二、 接触表面接触表面 作相对运动的相互作用表面的摩擦学特性与

43、各作相对运动的相互作用表面的摩擦学特性与各 表面的表面性质及表面间的接触状况有密切关系，表面的表面性质及表面间的接触状况有密切关系， 是解决摩擦学问题的基础。是解决摩擦学问题的基础。 1 1表面形貌表面形貌 机械零件的表面与理想表面不同，是由制造形机械零件的表面与理想表面不同，是由制造形 状误差、波度，表面粗糙度和纹理构成，如图状误差、波度，表面粗糙度和纹理构成，如图9 92 2 所示。所示。 44 2 2接触面积接触面积 由于表面粗糙度及波纹的存在，两固体表面接由于表面粗糙度及波纹的存在，两固体表面接 触时真实接触只能发生在表面一些微凸体的顶部，触时真实接触只能发生在表面一些微凸体的顶部，

44、载荷只能通过这些微凸体的接触顶峰传递，这与传载荷只能通过这些微凸体的接触顶峰传递，这与传 统的赫芝理论关于接触应力的理想假设有很大的不统的赫芝理论关于接触应力的理想假设有很大的不 同。同。 如图如图9 93 3所示，在摩擦学中把接触面积区分为：所示，在摩擦学中把接触面积区分为： (1)(1)名义接触面积名义接触面积As As 以两个固体宏观界面的边界以两个固体宏观界面的边界 确定的面积，确定的面积，AsAsabab。 (2)(2)轮廓接触面积轮廓接触面积Ac Ac 由两接触固体波纹形成的接由两接触固体波纹形成的接 触面积，触面积，AcAc5 5一一1515AsAs。 45 (3)(3)真实接触

45、面积真实接触面积Ar Ar 由两接触固体直接传递界面由两接触固体直接传递界面 相互作用力的局部面积之和组成，如图相互作用力的局部面积之和组成，如图9 93 3中虚线中虚线 圈内黑点圈内黑点( (微实体微实体) )，通常，通常ArAr0.010.01一一0.10.1AsAs。 相应在接触面上法向载荷相应在接触面上法向载荷F FN N的作用下有：的作用下有： 名义压力名义压力PaPaF FN NAsAs； 轮廓压力轮廓压力PcPcF FN NAcAc； 和真实压力和真实压力PtPtF FN NArAr。 46 三、摩擦三、摩擦 1 1摩擦的分类摩擦的分类 摩擦的定义：是指两个相互接触的物体，抵抗在

46、外摩擦的定义：是指两个相互接触的物体，抵抗在外 力作用下产生相对运动或具有相对运动趋势的现象力作用下产生相对运动或具有相对运动趋势的现象 （或（或“抵抗两物体接触表面切向相对运动的现抵抗两物体接触表面切向相对运动的现 象象”）。摩擦的分类如表）。摩擦的分类如表9 91 1所示。所示。 47 48 2.摩擦的影响摩擦的影响 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对 于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面 磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而 产生振动和噪音

47、，缩短使用寿命。世界上使用的能产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界上使用的能 源大约有源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少消耗于摩擦。如果能够尽力减少 无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。 另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损 超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损， 则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件 及其所需材料的费用。润滑是减小摩擦、减小磨损、及其所需材料的费用。润滑是减小摩擦、减小磨损、 提高

48、机械效率的最常用最有效的方法。提高机械效率的最常用最有效的方法。 49 3滑动摩擦滑动摩擦 (1)滑动摩擦机理滑动摩擦机理 有关滑动摩擦机理问题至今尚没有关滑动摩擦机理问题至今尚没 有统一的理论，目前有以下几种理论：有统一的理论，目前有以下几种理论： 1)机械理论机械理论 摩擦的起因是出于两摩擦表面上的凹凸不平而摩擦的起因是出于两摩擦表面上的凹凸不平而 造成的机械咬合。两接触表面作相对运动时，沿着造成的机械咬合。两接触表面作相对运动时，沿着 凹凸处反复地起落，或者把凸峰破坏，从而形成摩凹凸处反复地起落，或者把凸峰破坏，从而形成摩 擦阻力。擦阻力。 从机械理论出发，可得出表面比较光滑时，摩擦从机

49、械理论出发，可得出表面比较光滑时，摩擦 相对较小的结论。这在一般情况下是正确的仅无相对较小的结论。这在一般情况下是正确的仅无 法解释某些情况下，十分光滑的表面间相对滑动时法解释某些情况下，十分光滑的表面间相对滑动时 ，摩擦因数很大的现象。，摩擦因数很大的现象。 50 2) 2)分子理论分子理论 产生摩擦的主要原因是由于在两物体摩擦表面产生摩擦的主要原因是由于在两物体摩擦表面 间分子力的作用，产生摩擦的原因是表面材料分子间分子力的作用，产生摩擦的原因是表面材料分子 间的吸力作用间的吸力作用 。故光面越光滑，摩擦阻力应越大，。故光面越光滑，摩擦阻力应越大， 由此推论，摩擦力的大小应与接触面积成比例

50、，但由此推论，摩擦力的大小应与接触面积成比例，但 这与实验结果不一致。这与实验结果不一致。 3)3)机械机械分子理论分子理论 机械机械分于理理论认为，摩擦过程既要克服分于理理论认为，摩擦过程既要克服 分子相互作用力，又要克服机械作用的阻力。摩擦分子相互作用力，又要克服机械作用的阻力。摩擦 力是接触点上因分子吸引力和机械作用所产生的切力是接触点上因分子吸引力和机械作用所产生的切 向阻力的总和。向阻力的总和。 认为两种作用均有。认为两种作用均有。 51 (2)滑动摩擦因数滑动摩擦因数 定义为摩擦力定义为摩擦力Ff和接触面上和接触面上 法向载荷法向载荷FN之比，即：之比，即： 在干摩擦情况下，滑动摩

51、擦因数在干摩擦情况下，滑动摩擦因数由三种情况下的由三种情况下的 系数组成：系数组成： 由表面不平度考虑，摩擦力就是克服双方接触表由表面不平度考虑，摩擦力就是克服双方接触表 面微凸体间的啮合作用，在刚性情况下，摩擦力是面微凸体间的啮合作用，在刚性情况下，摩擦力是 指能把一个表面的微凸体拾高到超过另一表面的微指能把一个表面的微凸体拾高到超过另一表面的微 凸体的力。如果锥形微凸体的平均倾斜角是凸体的力。如果锥形微凸体的平均倾斜角是，则：，则： =tg 52 由犁沟效应看，是一方硬而尖的微凸体压入软的由犁沟效应看，是一方硬而尖的微凸体压入软的 对方表层，在滑动时把对方软金属推挤到两侧或出对方表层，在滑

52、动时把对方软金属推挤到两侧或出 现切屑，软金属表面形成犁沟，这样可以设想摩擦现切屑，软金属表面形成犁沟，这样可以设想摩擦 力就是软金属压入硬度和犁沟截面积的乘积，由此力就是软金属压入硬度和犁沟截面积的乘积，由此 可得可得 由粘着效应看，摩擦力能够剪开由于微凸体间发生由粘着效应看，摩擦力能够剪开由于微凸体间发生 冷焊而形成的粘着状态。此时冷焊而形成的粘着状态。此时 53 54 可见：滑动摩擦因数主要与微凸体的高度、变形和可见：滑动摩擦因数主要与微凸体的高度、变形和 粘着状况有关。当表面粗糙度、双方的化学成分相粘着状况有关。当表面粗糙度、双方的化学成分相 差较大时，摩擦因数较低，磨损率也较低。环境

53、介差较大时，摩擦因数较低，磨损率也较低。环境介 质也有影响，如摩擦副双方都是硬钢，在大气介质质也有影响，如摩擦副双方都是硬钢，在大气介质 中中值为值为0.60.6，而在真空中，而在真空中值要高得多。石墨的配对值要高得多。石墨的配对 件在湿气中件在湿气中约值为约值为0.10.1，但在干燥空气中可高达，但在干燥空气中可高达0.50.5 以上。以上。 在润滑条件下，滑动摩擦因数与油膜厚度有关，在润滑条件下，滑动摩擦因数与油膜厚度有关， 当油膜厚度超过当油膜厚度超过25um25um时，或者说超过两摩擦表面的时，或者说超过两摩擦表面的 综合表面粗糙度时，油膜将两接触表面分开，摩擦综合表面粗糙度时，油膜将

54、两接触表面分开，摩擦 因数很小；当油膜厚度减薄到使配对材料某些微凸因数很小；当油膜厚度减薄到使配对材料某些微凸 体开始接触体开始接触, ,出现了边界润滑状态时，摩擦因数增加出现了边界润滑状态时，摩擦因数增加 ；当油膜减薄到比表面微凸体高度还小时，就产生；当油膜减薄到比表面微凸体高度还小时，就产生 了干摩擦，摩擦因数显著增加。了干摩擦，摩擦因数显著增加。 55 kr 56 4.4.滚动摩擦滚动摩擦 (1) (1) 滚动摩擦机理滚动摩擦机理 滚动摩擦机理较为复杂。滚动时不发生滑动摩擦滚动摩擦机理较为复杂。滚动时不发生滑动摩擦 时的时的“犁沟犁沟”和粘着接点的剪切现象。和粘着接点的剪切现象。 一般认

55、为滚动摩擦主要来自四个方面：一般认为滚动摩擦主要来自四个方面： 1 1）微观滑移：比较重要的微观滑移理论有：）微观滑移：比较重要的微观滑移理论有： 雷诺滑移雷诺滑移 雷诺用硬金属圆柱体在橡胶平面上滚雷诺用硬金属圆柱体在橡胶平面上滚 动，观察到由于自由滚动时压力在各个物体上引起动，观察到由于自由滚动时压力在各个物体上引起 的表面切向位移不等，导致界面上产生微量滑移并的表面切向位移不等，导致界面上产生微量滑移并 有相应的摩擦能量损失。同样机理可推广于圆柱体有相应的摩擦能量损失。同样机理可推广于圆柱体 在金属表面上滚动的情形在金属表面上滚动的情形 57 海斯考特滑移海斯考特滑移 19211921年海

56、斯考特提出了一种滑移年海斯考特提出了一种滑移 理论，实验依据是用球在槽中滚动，由于球在接触理论，实验依据是用球在槽中滚动，由于球在接触 线上各点对旋转轴线的距离相差很大，于是产生切线上各点对旋转轴线的距离相差很大，于是产生切 向牵引力和微观滑移。向牵引力和微观滑移。 卡脱滑移卡脱滑移 两圆柱体发生相对滚动时，如果在滚两圆柱体发生相对滚动时，如果在滚 动方向上有一个切向力，计算此时发生微观滑移的动方向上有一个切向力，计算此时发生微观滑移的 面积，结果显示粘着区域位于接触面积的前沿。这面积，结果显示粘着区域位于接触面积的前沿。这 与静态问题不同，后者的粘着区域位于接触面积的与静态问题不同，后者的粘

57、着区域位于接触面积的 中心。中心。 实验证明：微观滑移只占滚动摩擦很小的部分。实验证明：微观滑移只占滚动摩擦很小的部分。 58 2 2）弹性滞后）弹性滞后 当钢球沿橡胶类的弹性体滚动时，使它前面的橡胶发当钢球沿橡胶类的弹性体滚动时，使它前面的橡胶发 生变形因而对橡胶作功。橡胶的弹性恢复会对钢球生变形因而对橡胶作功。橡胶的弹性恢复会对钢球 的后部作功，从而推动钢球向前滚动。因为任何材料的后部作功，从而推动钢球向前滚动。因为任何材料 都不是完全弹性的，故相比之下，橡胶对钢球所作的都不是完全弹性的，故相比之下，橡胶对钢球所作的 功总是小于钢球对橡胶所作的功，总会损耗一些能量，功总是小于钢球对橡胶所作

58、的功，总会损耗一些能量， 即为变形过程中橡胶分子相互摩擦造成的滚动摩擦损即为变形过程中橡胶分子相互摩擦造成的滚动摩擦损 失。有时称之为内摩擦。失。有时称之为内摩擦。 3)3)塑性变形塑性变形 当钢球在平面上滚动时，会使钢球的附近和钢球的当钢球在平面上滚动时，会使钢球的附近和钢球的 前面的金属发生塑性变形，从而在钢球表面产生永久前面的金属发生塑性变形，从而在钢球表面产生永久 性凹槽。不难证明，使金属发生塑性变形所需的力几性凹槽。不难证明，使金属发生塑性变形所需的力几 乎正好等于所测得的滚动摩擦力。因此，滚动摩擦力乎正好等于所测得的滚动摩擦力。因此，滚动摩擦力 基本上是塑性变形力的量度。基本上是塑

59、性变形力的量度。 59 4）粘着效应）粘着效应 在滚动时，接触表面的相对运动是法向运动，在滚动时，接触表面的相对运动是法向运动， 而不是滑动时的切向运动。粘着力主要是弱的范德而不是滑动时的切向运动。粘着力主要是弱的范德 华力，而强的短程力，例如金属键合力，仅可能在华力，而强的短程力，例如金属键合力，仅可能在 微观接触的微观滑动区域中产生。如果发生粘着，微观接触的微观滑动区域中产生。如果发生粘着， 将在滚动接触的后沿分离这种分离是拉断而不是将在滚动接触的后沿分离这种分离是拉断而不是 剪断。通常，滚动摩擦中粘着引起的摩擦阻力只占剪断。通常，滚动摩擦中粘着引起的摩擦阻力只占 滚动摩擦阻力很小的一部分

60、。滚动摩擦阻力很小的一部分。 一般，在高压强度下，滚动摩擦阻力主要由表一般，在高压强度下，滚动摩擦阻力主要由表 面下的塑性变形产生；而在低应力强度下，滚动摩面下的塑性变形产生；而在低应力强度下，滚动摩 擦阻力由材料本身的滞后损耗产生。擦阻力由材料本身的滞后损耗产生。 60 (2)(2)滚动摩擦系数滚动摩擦系数 有量纲的滚动摩擦系数有量纲的滚动摩擦系数k k是根是根 据一圆柱体在平面上纯滚动，物体分别受垂直和水据一圆柱体在平面上纯滚动，物体分别受垂直和水 平载荷平载荷F FN N和和F F的作用。由于接触处的弹性变形，在接的作用。由于接触处的弹性变形，在接 触面上的压力强度呈不对称分布，其合力向