第三章机械零件的强度

1、 （一）载荷和应力（一）载荷和应力 强度准则是设计机械零件的最基本准则。强度问题分为静强度准则是设计机械零件的最基本准则。强度问题分为静应力强度和变应力强度两个范畴。应力强度和变应力强度两个范畴。 1 1、载荷的分类：、载荷的分类： 零件上的载荷通常分为静载荷和动载荷。零件上的载荷通常分为静载荷和动载荷。 静载荷：是指大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓静载荷：是指大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。慢的载荷。 锅炉压力等。锅炉压力等。 动载荷：是指大小、作用位置和方向随时间变化的载荷。动载荷：是指大小、作用位置和方向随时间变化的载荷。 曲轴所受的压力等。曲轴所受的压力等。

2、在机械设计计算中：用名义载荷和计算载荷。在机械设计计算中：用名义载荷和计算载荷。 名义载荷：指理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。名义载荷：指理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 计算载荷：指名义载荷计算载荷：指名义载荷K K（载荷系数（载荷系数 考虑各种附加载考虑各种附加载荷等因素）荷等因素）。k:k:载荷系数载荷系数,k1 ,k1 由经验确定。由经验确定。 2 2、应力的分类、应力的分类 根据应力随时间变化的特性不同分为根据应力随时间变化的特性不同分为 静应力：静应力：是指不随时间变化或变化缓慢是指不随时间变化或变化缓慢的应力。的应力。- -只能在静载荷下。只能在静载荷下。caca

3、limlim/S/S。 变应力：变应力：是指随时间变化的应力，分非是指随时间变化的应力，分非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力。环变应力。- - 可能由变载荷，也可能由静载可能由变载荷，也可能由静载荷下。绝大多数机械零件都是在变应力条件荷下。绝大多数机械零件都是在变应力条件下工作的。下工作的。tr=-1r=-1tr=0r=0-1r1-1r 350HBS 350的钢，的钢，N N0 0 25 2510107 7Nrm0rrNKNN = = =可得循环次数可得循环次数N N的疲劳极限的疲劳极限表达式为：表达式为：用用N N0 0 r r近似代表近似

4、代表rr, ,N ND D 则则任一点的疲劳极限任一点的疲劳极限曲线方程可曲线方程可改写为：改写为：CNN0mrmrN= = = = max rN DN r N431010 NBACD拐点：多数铁拐点：多数铁 碳合金碳合金有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区 式中：式中：K KN N：寿命系数，：寿命系数，m0NNNK= = m m ：材料常数，有试验确定。：材料常数，有试验确定。 对钢材在弯曲和拉压疲劳时：对钢材在弯曲和拉压疲劳时：m=6m=62020，N N0 0=(1=(110)10)10106 6 一般对尺寸大取大循环次数一般对尺寸大取大循环次数 CDCD段和段和D D以后的疲劳通

5、常称为以后的疲劳通常称为- - 。多数通用机械零。多数通用机械零件的失效都是由高周疲劳引起的。件的失效都是由高周疲劳引起的。A A点点: :对称循环点对称循环点B B点点: :脉动循环点脉动循环点C C点点: :静强度极限静强度极限1malim = = = = 0malim = = = =ma = = Bmalim = = = = 工程上为计算方便，常将应力图进行简化工程上为计算方便，常将应力图进行简化ABESABES折线。分为折线。分为三个区：疲劳失效区、塑性失效区和安全区。三个区：疲劳失效区、塑性失效区和安全区。4504502020SB1amABECCO疲劳失效区疲劳失效区塑性失效区塑性失

6、效区安全区安全区 （二）疲劳极限应力图（二）疲劳极限应力图 相同材料，相同材料，r r不同，其疲劳极限也不同，可用疲劳极限应力不同，其疲劳极限也不同，可用疲劳极限应力图表示。图表示。 塑性材料的疲劳极限应力图：塑性材料的疲劳极限应力图： 表面无缺陷的金属材料时，其疲劳断裂过程分为两个阶段：表面无缺陷的金属材料时，其疲劳断裂过程分为两个阶段： （1 1）零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始）零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源。裂纹，形成疲劳源。 （2 2）裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直）裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至

7、发生疲劳断裂。至发生疲劳断裂。 实际上材料内部有缺陷，因此，一般零件的疲劳过程是从实际上材料内部有缺陷，因此，一般零件的疲劳过程是从第二阶段开始的。第二阶段开始的。 变应力下：失效形式主要为疲劳断裂。变应力下：失效形式主要为疲劳断裂。1 1、疲劳断裂特征、疲劳断裂特征 强度条件：强度条件： SSSSlimlim = = = = 有关不同变应力下疲劳强度的计算方法有关不同变应力下疲劳强度的计算方法 自学。自学。2 2、影响机械零件疲劳强度的主要因素、影响机械零件疲劳强度的主要因素 因素很多，应力集中、零件尺寸、表面状况、环境介质、加因素很多，应力集中、零件尺寸、表面状况、环境介质、加载顺序和频率

8、等。但重要的是应力集中、零件尺寸和表面状况。载顺序和频率等。但重要的是应力集中、零件尺寸和表面状况。 1 1）应力集中的影响）应力集中的影响 表面突然变化处。表面突然变化处。 2 2）绝对尺寸的影响）绝对尺寸的影响 相同条件下，尺寸越大，则疲劳强相同条件下，尺寸越大，则疲劳强度越低。度越低。 3 3）表面状况的影响）表面状况的影响 表面粗糙度和表面处理的情况。表面粗糙度和表面处理的情况。 有些结构，按常规的强度理论来分析时，工作应力有些结构，按常规的强度理论来分析时，工作应力 需用应需用应力力( (满足强度条件满足强度条件) )，但在实际使用中，会突然性断裂，但在实际使用中，会突然性断裂 称低

9、应称低应力脆断。力脆断。 大部分发生在高强度钢材的结构或大型的焊接件中。大部分发生在高强度钢材的结构或大型的焊接件中。 发生原因：是结构内部裂纹和缺陷的存在以及工作条件的发生原因：是结构内部裂纹和缺陷的存在以及工作条件的多样化和载荷形式的多样化等原因。多样化和载荷形式的多样化等原因。- - 属于断裂力学研究内容。属于断裂力学研究内容。 两零件接触：共形面接触两零件接触：共形面接触 两相互接触面的几何形状相同两相互接触面的几何形状相同 异形面接触异形面接触 线接触和点接触。线接触和点接触。 接触应力及接触强度：接触应力及接触强度： 如果两个零件在受载荷前是点接触或线接触，当受压后，由如果两个零件

10、在受载荷前是点接触或线接触，当受压后，由于材料的弹性变形，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的于材料的弹性变形，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件的强度称为接触强这时零件的强度称为接触强度。度。 疲劳点蚀：在变化着的接触应力下，疲劳点蚀：在变化着的接触应力下，由于表面疲劳而产生的麻点状损伤现象。由于表面疲劳而产生的麻点状损伤现象。 接触强度不够，零件易疲劳点蚀，当发生疲劳点蚀后，减接触强度不够，零件易疲劳点蚀，当发生疲劳点蚀后，减少了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力少了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力并引起振动和噪声。并引起振动和噪声。 当两个轴线平行的圆柱体相当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，其接触面积为一互接触并受压时，其接触面积为一狭长矩形，最大接