第二章机械零件的疲劳强度设计

1、1第二章第二章 机械零件的疲劳强度设计机械零件的疲劳强度设计 1 1）循环变载荷）循环变载荷 a) a) 稳定循环变载荷稳定循环变载荷 b) b) 不稳定循环变载荷不稳定循环变载荷2 2）随机变载荷）随机变载荷静载荷静载荷变载荷变载荷1. 变化变化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷2. 作用作用2随机变应力随机变应力静应力静应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力1. 应力种类应力种类变应力变应力随机变应力随机变应力循环变应力循环变应力一个循环OOtt 稳定循环变应力稳定循环变应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力对称循环对称循环脉动循环脉动循环非对称循环非对称循环32、稳定循环变应力的基本参

2、数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类 1) 基本参数基本参数 应力循环特性应力循环特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxmin最大应力最大应力最小应力最小应力平均应力平均应力应应 力力 幅幅112) 稳定循环变应力种类稳定循环变应力种类 -1 +1且0非对称非对称 =+1 静应力静应力 = 1 对称对称 = 0 脉动脉动4 1.1.疲劳破坏特征疲劳破坏特征： 1 1）断裂过程：）断裂过程：产生初始裂纹，疲劳源（应力较大处）产生初始裂纹，疲劳源（应力较大处）裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹，断裂。裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹，断裂。 2 2）断裂面：）断裂面： 光滑区

3、光滑区（疲劳发展区），以疲劳源为中心疲劳纹线（疲劳发展区），以疲劳源为中心疲劳纹线相互平行，间隔相互平行，间隔0.10.11 1m。 粗糙区粗糙区（脆性断裂区）（脆性断裂区） 3 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4 4）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限5疲劳源疲劳源(初始裂纹初始裂纹)光滑的疲劳区光滑的疲劳区同心疲劳纹同心疲劳纹前沿线前沿线粗糙的粗糙的断裂区断裂区垄沟纹垄沟纹旋转弯曲、载荷小和表面应力集中大有三旋转弯曲、载荷小和表面应力集中大有三个初始裂纹的疲劳断裂截面个初始裂纹的疲劳断裂截面62.2.疲劳破

4、坏的疲劳破坏的机理机理：损伤的累积：损伤的累积3.3.影响因素影响因素：材料性能，变应力的循环特性，应力循：材料性能，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。注意注意：。 7疲劳极限疲劳极限：（疲劳强度设计应以疲劳极限作为极限应力）：（疲劳强度设计应以疲劳极限作为极限应力） 在应力比为在应力比为 的的循环变应力下，应力循环循环变应力下，应力循环N次后，次后，材料材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限极限。)(NN疲劳寿命疲劳寿命： 材料材料疲劳失效前所经历的应力循环次数疲劳失效前所经历

5、的应力循环次数 N。 应力循环特性应力循环特性 一定时，一定时，材料材料的疲劳极限与应力循环的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线次数之间关系的曲线。8NN 持久极限ONN0NN有限寿命区N无限寿命区1 1）无限寿命区）无限寿命区0NN N循环基数循环基数 持久极限持久极限对称循环对称循环：脉动循环：脉动循环：0011 有色金属有色金属高强度合金钢高强度合金钢 无水平线无水平线92 2）有限寿命区）有限寿命区 当当N103(104)高周循环疲劳高周循环疲劳043)10(10NN 随循环次数随循环次数疲劳极限疲劳极限3 3）疲劳曲线方程）疲劳曲线方程CNNmmN010NmNKNN0疲劳极限疲劳极

6、限几点说明：几点说明： 2 2）硬度）硬度350HBS350HBS钢，钢，No=10No=106 610107 7； 350HBS350HBS钢，钢，No =10 x10No =10 x107 7 25x1025x107 7； 有色金属有色金属( (无水平部分无水平部分) No=25x10) No=25x107 7 。3 3）m寿命指数，寿命指数，与应力与材料的种类有关。与应力与材料的种类有关。 钢钢拉压、弯曲应力、扭剪应力拉压、弯曲应力、扭剪应力 m=9m=9； 接触应力接触应力m=6m=6。 青铜青铜弯曲应力弯曲应力 m=9 m=9 ；接触应力；接触应力m=8m=8。1 1）KN 寿命系数

7、寿命系数，NNoNNo时，取时，取N=No N=No 。11am-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450r :-1+1A :对称循环对称循环极限应力点极限应力点B :脉动循环脉动循环极限应力点极限应力点C :静强度极静强度极限应力点限应力点12高塑钢高塑钢ADG简化极限应力线；简化极限应力线； AD疲劳强度线；疲劳强度线；DG 屈服强度线。屈服强度线。不允许塑性变形不允许塑性变形-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450 D13高塑钢高塑钢AD线方程：线方程：1raarm1002tan 低塑钢或铸铁低塑钢或铸铁AC线方程：线方程：11rar

8、mb14一、一、应力集中应力集中的影响的影响零件受载时，在几何形状零件受载时，在几何形状突变突变处（圆角、凹槽、孔、处（圆角、凹槽、孔、螺纹、过盈配合等）要产生螺纹、过盈配合等）要产生应力集中应力集中。对应力集中的对应力集中的敏感程度敏感程度与零件的与零件的材料材料有关，一般材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。 11 K11 Kkk疲劳缺口系数疲劳缺口系数 1 15二、零件二、零件尺寸尺寸的影响的影响尺寸系数尺寸系数 1 1. 1. 零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗，冷、热加零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗，冷、热加工中出现缺陷的概率大；工

9、中出现缺陷的概率大；2. 2. 机械加工后表面冷作硬化层相对较薄；机械加工后表面冷作硬化层相对较薄； 对零件疲劳强度的不良影响愈显著。对零件疲劳强度的不良影响愈显著。 111116三、三、表面状态表面状态的影响的影响 表面状态系数表面状态系数11表面质量表面质量指表面粗糙度、表面强化及工作环境。指表面粗糙度、表面强化及工作环境。强化处理强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。喷丸、滚压等冷作工艺。17四、四、综合影响系数综合影响系数 综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值。极限应力幅的比

10、值。 只影响应力幅。只影响应力幅。DDKkKk1-1K11DKDKK零件的零件的疲劳极限疲劳极限18一、受一、受单向应力单向应力时零件的安全系数时零件的安全系数ABDD1GB1A1P1ams0/200/2KD-1/KD-1am零件的零件的1DamK 只受单向拉压、只受单向拉压、弯曲、扭转等弯曲、扭转等零件极限应力图零件极限应力图A1B1D1G疲劳强度疲劳强度线线A1D1屈服强度屈服强度线线GD1直线直线A1D1的方程：的方程：19D1GA1N1amsm0a-1/KD/maC规律下疲劳强度分析图规律下疲劳强度分析图(, )maNKMM1H零件疲劳强度设计零件疲劳强度设计：确定零件危险截面上确定零

11、件危险截面上的的工作应力点工作应力点N。在极限应力线上确定在极限应力线上确定极限应力点极限应力点N1。 计算计算安全系数安全系数。应力增长规律：应力增长规律：/maC（1）难以确定增长规律时，难以确定增长规律时，极限应力点为极限应力点为N1。OA1D1为疲劳强度区为疲劳强度区OD1G 为屈服强度区为屈服强度区大多数转轴中的大多数转轴中的应力状态应力状态 20D1GA1N1amsm0a-1/KD(, )maNKMM1Ha) 工作应力点位于工作应力点位于OA1D1内内按按疲劳强度疲劳强度计算计算/mama1DamK 零件的疲劳极限零件的疲劳极限为为1lim()maeamDamk 强度条件为强度条件

12、为 lim1maxmaeDamssk ass21b)工作应力点位于工作应力点位于OD1G 内内极限应力为极限应力为屈服极限屈服极限按按静强度静强度计算计算limmax esmassD1GA1N1amsm0a-1/KD(, )maNKMM1H不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算同时核算两种安全系数两种安全系数。22mC（2）振动中的受载弹簧的应力状态振动中的受载弹簧的应力状态D1GA1N1amsm0-1/KD(, )maNM1(,)mamFEPMOA1D1E为疲劳强度区为疲劳强度区ED1G 为屈服强度区为屈服强度区a) 工作应力点位于工作应力点位于

13、OA1D1E内内mm1DamK 强度条件：强度条件： malimmaxmama1mma()()eDDsksk1aaamaDassK 按两式同时验算按两式同时验算limmax esmass23minC（3）紧螺栓联接中的螺栓应力状态紧螺栓联接中的螺栓应力状态 D1GA1N1amsmin0-1/KD(, )maNM1(,)maminFEPMmama1DamK limmaxmamama1minmina2()()(2)eDDsksk1minaa()aaDassK 按两式同时验算按两式同时验算limmax esmass24注意：注意：1 1）若零件所受应力变化规律不能确定，一般采用）若零件所受应力变化规

14、律不能确定，一般采用=C=C的情况计算。的情况计算。2 2）上述计算均为按）上述计算均为按无限寿命无限寿命进行零件设计，若按进行零件设计，若按有限有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数寿命要求设计零件时，即应力循环次数10103 3(10(104 4)NNo)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限有限寿命的疲劳极限 ，即应以即应以-1N-1N 代代-1-1 ，以，以oNoN代代o o 3 3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的出现的两种两种情况情况4 4）对）对切应力切应力上述公式同样适用，只