第3章机械零件的强度ppt课件

1、第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度本章学习要求：本章学习要求：1、概念：疲劳破坏特点），疲劳极限，疲劳强度、概念：疲劳破坏特点），疲劳极限，疲劳强度2、疲劳曲线和极限应力图、疲劳曲线和极限应力图3、掌握材料和零件极限应力图的区别、掌握材料和零件极限应力图的区别 4、能够利用疲劳曲线和极限应力图进行零件的疲劳、能够利用疲劳曲线和极限应力图进行零件的疲劳 强度计算强度计算 （零件、材料的疲劳强度计算是否相同？）（零件、材料的疲劳强度计算是否相同？）5、了解接触强度、了解接触强度2-1 概 述一、疲劳破坏一、疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的 ，应力的每次循环也仍然会对零件造

2、成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 maxb “疲劳破坏” 是循环应力作用下零件的主要失效形式。 疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的 低于 ，甚至低于 。 b) 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。maxbsc疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。二、材料的疲劳特性二、材料的疲劳特性1、疲劳极限、疲劳极限循环特性循环特性r一定时，应力循环一定时，应力循环N次后，材料不发生疲次后

3、，材料不发生疲劳破坏时劳破坏时的最大应力的最大应力2、疲劳寿命N： 材料疲劳破坏前所经历的应力循环次数。 不同或 N 不同时，疲劳极限 则不同。 rNr用用 表示表示rNrNlim在疲劳强度计算中，取在疲劳强度计算中，取 。对称循环应力对称循环应力r = -1、 sm0脉动循环应力脉动循环应力 r=0、 smin0静应力静应力 r=1对称循环对称循环脉动循环脉动循环常见的循环应力有常见的循环应力有静应力可看作是循环应力的一个特静应力可看作是循环应力的一个特例）例）描述循环应力：描述循环应力：2minmaxm2minmaxamaxmax最大应力；最大应力； min min最小应力最小应力mm平均

4、应力；平均应力； a a应力幅值应力幅值r 应力比应力循环特性）maxminr循环应力即即N曲线曲线3、疲劳曲线：应力循环特性、疲劳曲线：应力循环特性r一定得条件下，应力循环一定得条件下，应力循环次数次数N与疲劳极限与疲劳极限rN之间的关系曲线之间的关系曲线maxBCDNND104103N0AB段：静应力区间，段：静应力区间，B点对应的应点对应的应力循环次数大约为力循环次数大约为10 3；BC段：随段：随N的增大，的增大， max 下降，下降，C点所对应的点所对应的N值大约为值大约为10 4，这时试件断口发生塑性变形，这时试件断口发生塑性变形，此种破坏称为应变疲劳，或此种破坏称为应变疲劳，或低

5、周疲劳。低周疲劳。CD段：随段：随N的增大，的增大，max下降较快，这阶段称为有下降较快，这阶段称为有限寿命阶段，也称为高周疲劳，限寿命阶段，也称为高周疲劳，rN 有限寿命疲劳极限。有限寿命疲劳极限。D点以后：点以后：D点以后的曲线趋于水平，说明随点以后的曲线趋于水平，说明随N的增的增多，多， max不再下降，即到无限寿命阶段，即不再下降，即到无限寿命阶段，即r:持久疲劳极限持久疲劳极限,为为D点疲劳极限点疲劳极限ND:一般工程材料约为一般工程材料约为10 62510 7。CNmrNm与材料有关的常数与材料有关的常数 C常数常数 maxBCDNND104103N0DrrNNN 循环基数循环基数

6、N 0对应的疲劳极限对应的疲劳极限0rN式中：式中：K N寿命系数寿命系数NrmrrNKNN0任意循环任意循环N次的有限疲劳极限为：次的有限疲劳极限为：简写为简写为rmaxBCDNND104103N0替代N DrCNNmrNmr04、材料的极限应力图或等寿命曲线）：描述的、材料的极限应力图或等寿命曲线）：描述的是在一定的应力循环次数是在一定的应力循环次数N下，疲劳极限的应力幅下，疲劳极限的应力幅与平均应力的关系曲线。与平均应力的关系曲线。近似代替线图形成近似代替线图形成OAOA G G C C区域为安全区区域为安全区AGCAGC折线为疲劳极限折线为疲劳极限A点：点：A点描述对称循环应力的疲劳极

7、限点描述对称循环应力的疲劳极限), 0(1amD点：点：D点描述脉动循环应力的疲劳极限点描述脉动循环应力的疲劳极限)2,2(00am横坐标任一点横坐标任一点 ，即静应力，即静应力取取C点：点：CG上任一点代表疲劳极限为上任一点代表疲劳极限为 的变应力状况。的变应力状况。sammax0asm5、零件的极限应力图、零件的极限应力图1meaeKmeaes疲劳应力时的材料常数为材料受循环弯曲零件强化系数零件表面质量系数零件尺寸系数零件有效应力集中系数影响系数为弯曲疲劳极限的综合0012:111qqkkK三、机械零件的疲劳强度计算三、机械零件的疲劳强度计算（一单向稳定变应力的机械零件疲劳强度（一单向稳定

8、变应力的机械零件疲劳强度计算方法：计算方法：求出机械零件危险截面上的最大工作应力求出机械零件危险截面上的最大工作应力 和最和最小工作应力小工作应力 据据 和和 求求 与与 确定工作点应在确定工作点应在安全区）安全区）强度计算：所用极限应力应是极限应力曲线强度计算：所用极限应力应是极限应力曲线AGC上上某点所代表的应力。某点所代表的应力。maxminammaxmin典型应力变化规律：典型应力变化规律： 循环应力的应力比为常数，即循环应力的应力比为常数，即r=c循环应力的平均应力为常数，即循环应力的平均应力为常数，即m=c循环应力的最小应力为常数，即循环应力的最小应力为常数，即min=c1 1、变

9、应力的循环特性保持不、变应力的循环特性保持不变变r rC C的情况的情况绝大多数转轴中的应力状态。绝大多数转轴中的应力状态。（找应力比与零件工作应力比（找应力比与零件工作应力比相同的极限应力值，建立强度相同的极限应力值，建立强度条件）条件）MM点：点：M1aD DG GmAMC CmaM点的极限应力为点的极限应力为maxmeaeminmaxminmaxrr11CM1(me、ae)maamK)(1maKmax1计算安全系数及强度条件计算安全系数及强度条件cacaSlimN点极限应力为点极限应力为N1的应力值的应力值因因N1在在CG上，应力为上，应力为s所以所以N点的破坏形式为屈服失点的破坏形式为

10、屈服失效，只需进行静强度计算，效，只需进行静强度计算，强度条件为：强度条件为：SSmasscacamaxlimmaxmaxSKma1M1N1aD DG GmAMC CN凡工作应力在凡工作应力在OCGOCG区，在区，在r=Cr=C条件下只进行静条件下只进行静强度计算。强度计算。2、变应力的平均应力保持不、变应力的平均应力保持不变变mC的情况的情况M2N2aDGmACMNHO振动着的受载弹簧的应力状态振动着的受载弹簧的应力状态M点的极限应力为点的极限应力为安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件KKKmme)()1 (11maxSKKSmamcaca)()(1maxmaxlimN点由静强度

11、条件计算：点由静强度条件计算：SSmasscacamaxlimHGC区域均按区域均按静强度计算静强度计算3、变应力的最小应力保持、变应力的最小应力保持不变（不变（minC情况情况aJGmACMNminMM3N3minN受轴向变载荷螺栓联接受轴向变载荷螺栓联接的应力状态的应力状态 minmaC IAOJ区：区： min为负值，不讨论为负值，不讨论GIC区：区： lim= s,按静应力计算按静应力计算SSmasscacamaxlimaJGmACMNM3IKKaememin1max)(2M点的极限应力为点的极限应力为OJGI区：极限应力在疲劳极限区：极限应力在疲劳极限应力曲线应力曲线AG上上安全系数

12、计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件SKKSacaca)()(2minmin1maxmaxlimv 阐明：阐明：v 1 1、难以确定应力变化规律的，采用、难以确定应力变化规律的，采用r=Cr=C计算计算macaKS1）（应力的等效转换应力幅的综合影响系数工作应力幅对称循环弯曲疲劳极限maadKS: 2 2、有限寿命疲劳阶段，须将公式中的、有限寿命疲劳阶段，须将公式中的 换成换成rrN3 3、许用安全系数、许用安全系数 （1 1疲劳强度许用安全系数的一般规定：疲劳强度许用安全系数的一般规定： 一般一般S = 1.41.7 S = 1.41.7 a a、计算精度高，实验数据可靠，工艺质量材料好

13、，、计算精度高，实验数据可靠，工艺质量材料好， S = 1.31.4 S = 1.31.4 b b、计算精度低，材料不均匀，大型零件、铸件，、计算精度低，材料不均匀，大型零件、铸件， S = 1.73.0 S = 1.73.0 （2 2静强度许用安全系数的一般规律静强度许用安全系数的一般规律 a a、高塑性钢，材料均匀性、载荷准确性、计算精确性均属、高塑性钢，材料均匀性、载荷准确性、计算精确性均属 于一般情况，于一般情况，S = 1.52.0 S = 1.52.0 b b、低塑性、高强度钢，铸铁、低塑性、高强度钢，铸铁 S = 39 S = 39 4 4、疲劳强度计算总结、疲劳强度计算总结按疲

14、劳强度分析。段，力图的若极限应力落在极限应按静强度分析；段，力图的若极限应力落在极限应段，按静强度分析；疲劳曲线的AGCGNABN,10,1033五、单向不稳定变应力时的疲劳强度五、单向不稳定变应力时的疲劳强度1、非规律性的不稳定变应力、非规律性的不稳定变应力变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布规律，然后根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。用统计疲劳强度的方法来处理。2、规律性的不稳定变应力、规律性的不稳定变应力变应力参数的变化有一个简单的规律。变应力参数的变化有一个简单的规律。利

15、用疲劳损伤累计假说利用疲劳损伤累计假说Miner法则进行计算。法则进行计算。每一次循环的损伤率：每一次循环的损伤率：1Nn次循环的损伤率：次循环的损伤率：nN累计损伤率为：累计损伤率为：ziiiNn111ziiiNn各应力幅无大的差别各应力幅无大的差别及强烈的短时过载及强烈的短时过载应力由大到小作用应力由大到小作用11ziiiNn应力由小到大作用应力由小到大作用11ziiiNn累计损伤率累计损伤率100%时，材时，材料发生疲劳破坏料发生疲劳破坏2 . 27 . 01ziiiNn试验证明存在：试验证明存在：代入疲劳损伤累计公式得：代入疲劳损伤累计公式得：不破坏的条件：不破坏的条件：0NNmrmr

16、N,)(1101mNN,)(2102mNNmmiiNn10令计算应力为：令计算应力为：mzimiicanN1013N1)(1101221110mzimiimmmNnnnNziiiNn1那么那么1ca安全系数安全系数SScaca1v 阐明：阐明：v 对于不对称循环的不稳定变应力，先按对于不对称循环的不稳定变应力，先按v 求等效的对称循环变应力，然后按上述情况计算。求等效的对称循环变应力，然后按上述情况计算。maadK七、提高机械零件疲劳强度的措施1、影响零件疲劳强度的因素、影响零件疲劳强度的因素（1零件外形的影响零件外形的影响 由于构造和工艺上的要求，许多零件常常带有沟由于构造和工艺上的要求，许

17、多零件常常带有沟槽、孔眼和台肩等，这样，在截面尺寸突变处就会槽、孔眼和台肩等，这样，在截面尺寸突变处就会产生应力集中现象。产生应力集中现象。 由于零件在应力集中处容易出现微观裂纹，从而由于零件在应力集中处容易出现微观裂纹，从而引起疲劳失效。引起疲劳失效。 应力集中对疲劳强度降低的影响用有效应力集中应力集中对疲劳强度降低的影响用有效应力集中系数系数 表示。表示。)(kk或工程设计中用：工程设计中用：3313:13:) 1(1附表表理论应力集中系数，附材料敏性系数，附图qqk（2零件尺寸的影响零件尺寸的影响 材料相同但尺寸大小不同的试件，其疲劳极限是材料相同但尺寸大小不同的试件，其疲劳极限是不同的

18、，大尺寸试件的疲劳极限低于小尺寸试件的不同的，大尺寸试件的疲劳极限低于小尺寸试件的疲劳极限。疲劳极限。 因试件或零件的尺寸越大，其内部所包含的因试件或零件的尺寸越大，其内部所包含的杂质、缺陷也相应增多，出现裂纹的可能性就越杂质、缺陷也相应增多，出现裂纹的可能性就越大，疲劳极限将会降低。大，疲劳极限将会降低。 零件尺寸对疲劳强度的影响用尺寸系数零件尺寸对疲劳强度的影响用尺寸系数 表示。表示。 附图附图3-2和和3-3及附表及附表3-7)(或（3零件表面加工质量的影响零件表面加工质量的影响 零件表面粗糙度越大，疲劳极限越低。零件表面粗糙度越大，疲劳极限越低。 因零件加工后表面出现的刀纹、伤痕会引起

19、应力因零件加工后表面出现的刀纹、伤痕会引起应力集中。集中。 零件表面加工质量对疲劳强度的影响用零件零件表面加工质量对疲劳强度的影响用零件表面质量系数表面质量系数 表示。表示。 附图附图3-4)(或试件零件表面质量低于标准试件零件表面质量高于标准, 1, 111（4零件表面强化处理的影响零件表面强化处理的影响 对零件表面进行一些强化处理，如化学热处理、对零件表面进行一些强化处理，如化学热处理、高频表面淬火、表面硬化加工等，可提高零件疲劳高频表面淬火、表面硬化加工等，可提高零件疲劳强度。强度。 零件表面强化处理对疲劳强度的影响用零件的零件表面强化处理对疲劳强度的影响用零件的强强化系数化系数 表示。表示。 附表附表3-9附表附表3-11。q2、提高机械零件的疲劳强度：、提高机械零件的疲劳强度：尽可能降低应力集中；尽可能降低应力集中；选用疲劳强度高的材料；选用疲劳强度高的材料；选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺；选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺；提高机械零件表面的质量；提高机械零件表面的质量；尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹尽可能