第2章机械零件的强度与耐磨性

1、第第2 2章章 机械机械零件的零件的强度强度与与耐磨性耐磨性断裂断裂、磨损磨损和和腐蚀腐蚀是机械零件最主要失效形式。是机械零件最主要失效形式。机器工作过程中缓慢进行的。机器工作过程中缓慢进行的。突发性，导致严重事故。突发性，导致严重事故。工业界最关注的问题。工业界最关注的问题。发生断裂的原因：工作载荷过大、材料的低发生断裂的原因：工作载荷过大、材料的低温脆性、应力集中、温脆性、应力集中、腐蚀和疲劳。腐蚀和疲劳。占断裂失效占断裂失效80%的概率的概率Slim lim 变应力变应力静应力静应力 lim塑性材料塑性材料 lim脆性材料脆性材料S b 疲劳极限疲劳极限rN lim拉杆拉杆强度强度条件：

2、条件：AF Slim 提高强度提高强度?2.应力分类应力分类静应力静应力不随时间变化或变化缓慢不随时间变化或变化缓慢变应力变应力随时间变化随时间变化静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生a0tt0at2-1 2-1 机械零件的机械零件的疲劳疲劳强度强度计算计算一、机械零件的载荷一、机械零件的载荷名义载荷名义载荷(公称载荷公称载荷):Fn, Tn , Mn(未考虑工况变化使零件受到的附加载荷，如速度变化引起的惯性力未考虑工况变化使零件受到的附加载荷，如速度变化引起的惯性力)计算载荷：计算载荷： caFncaKFFK载荷系数载荷系数载荷变化大，载荷变化大，K 大。大。 额定功率或负

3、载名义载荷名义载荷 实验或经验确定计算载荷计算载荷 安全系数实际载荷实际载荷材料疲劳的两种类别材料的疲劳特性交变应力的描述交变应力的描述 m平均应力；平均应力； a应力幅值应力幅值 max最大应力；最大应力； min最小应力最小应力r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）2minmaxm2minmaxamaxminr描述规律性的交变应力可有描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。个参数，但其中只有两个参数是独立的。r = -1对称循环应力对称循环应力r=0脉动循环应力脉动循环应力r=1静应力静应力 lims塑性材料limb脆性材料材料的疲劳强度 疲劳强度是指金属材料在疲劳

4、强度是指金属材料在无限多次交变载荷无限多次交变载荷作用下而作用下而不破不破坏坏的的最大应力最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。称为疲劳强度或疲劳极限。 实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。历史背景：1954 年，世界上第一款商业客机Havilland Comet 发生坠毁事故。二、疲劳曲线（二、疲劳曲线（rNN）标准试样疲劳试验标准试样疲劳试验rN r 0N710DN NN试样破坏试样破坏时达到的时达到的循环次数循环次数 rN？410CN 0N循环基数循环基数ABCD静应力静应力低周疲劳低周疲劳有限寿命有限寿命无限寿命无限寿命310BN

5、rDrN Nr DNN NrN r 0N0mmrNrNCNm0rrNNN 当当DCNNN m0rrNlimNN 当当DNN rmD0rrNlimNN有限寿命有限寿命疲劳疲劳极限极限无限寿命无限寿命疲劳疲劳极限极限N m m的取值与应力性质、的取值与应力性质、零件形状、材料和热零件形状、材料和热处理等因素有关处理等因素有关； 取值取值范围范围6 69 9之间；之间； 如钢，硬度如钢，硬度=350HBS,350HBS,350HBS,6701010N 8901010N 关于疲劳曲线方程的几点说明：关于疲劳曲线方程的几点说明：rNrmrNKNN01）计算）计算KN时，如时，如 N N0 ，则取，则取

6、NN0 2）工程中常用的是）工程中常用的是对称循环应力（对称循环应力（r=-1）下的疲劳极限，计算时，下的疲劳极限，计算时，只须把只须把r和和rN换成换成-1和和-1N 即可即可 注意：3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的）对于受切应力的情况，则只需将各式中的换成换成即可即可4）当）当N （103104）时，因）时，因 N 较小，可按静强度计算较小，可按静强度计算N 疲劳曲线omaxN0NBAr310CD）（5410105）材料常数）材料常数m6）循环基数）循环基数N0 ND（10625107） m=620 N0=（110）106 m=9N0=5106（小尺寸）（小尺寸）N0=107 （大

7、尺寸）（大尺寸）裂裂纹纹源源区区综合影响系数综合影响系数kKkK , *只降低极限只降低极限应力幅应力幅,不影响不影响平均平均应力应力三、三、影响零件疲劳强度的因素影响零件疲劳强度的因素201 K1 K20考虑应力集中考虑应力集中ek11考虑尺寸效应考虑尺寸效应11d考虑表面质量考虑表面质量11q四、提高零件疲劳强度的措施四、提高零件疲劳强度的措施1 1、降低应力集中、降低应力集中2 2、提高表面质量、提高表面质量 喷丸喷丸kKkK 采用减载槽来降低应力集中的作用。3 3、采用热处理强化工艺、采用热处理强化工艺 表面渗碳、渗氮表面渗碳、渗氮4 4、采用高强度材料、采用高强度材料碳纤维碳纤维 2

8、-2 2-2 机械零件的机械零件的接触强度接触强度 机械零件之间力的传递，总是通过两零件的机械零件之间力的传递，总是通过两零件的表面表面接触接触来实现的。来实现的。对机械零件除了要有足够的体积强度对机械零件除了要有足够的体积强度外，工作的接触表面还要有足够的接触强度。外，工作的接触表面还要有足够的接触强度。几种曲面接触情况几种曲面接触情况球体球体外外接触接触 圆柱体圆柱体内内接触接触 21L圆柱体圆柱体外外接触接触 21承载前是承载前是点接触或点接触或线接触线接触。受载后接受载后接触表面产触表面产生局部弹生局部弹性变形，性变形，形成小的形成小的接触面积接触面积F2H1H12FHHH21)(22

9、2121211111EELFH 式中式中1和和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径分别为两零件初始接触线处的曲率半径, , 其中正号用于外其中正号用于外接触，负号用于内接触。接触，负号用于内接触。 接触应力接触应力不同于挤压应力。不同于挤压应力。挤压应力是面接触引起的应挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态力，是二向应力状态，而，而接触应力接触应力是三向应力状态是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。对于线接触的情况，其接触对于线接触的情况，其接触应力可用应力可用赫兹应力公式计算赫兹应力公式计算。光测弹性

10、学光测弹性学实现实现应力可视化应力可视化总结：总结：1.1. 高副接触高副接触（前提）（前提）；2.2. 受受力后，材料弹性变形，力后，材料弹性变形，接触线接触线变成一定宽变成一定宽度的度的接触面接触面；3.3. 弹性弹性接触状态接触状态, ,两物体接触应力大小相等，方两物体接触应力大小相等，方向相反向相反；4.4. 接触应力接触应力始终为压应力，其循环特性始终为压应力，其循环特性r = 0(r = 0(脉动循环变应力脉动循环变应力) )，变化范围为，变化范围为0,0, HH；5.5. 长长时间作用时间作用 ,表面失效形式表面失效形式- - 点蚀点蚀 H H H H摩擦学摩擦学研究相对运动的作

11、用表面间的摩擦、磨损研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。缘学科。 摩擦：摩擦：相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 磨损：磨损：由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 润滑：润滑：减轻摩擦和磨损所应采取的措施。减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。消耗于摩擦。 机械产品的易损零件大部

12、分是由于磨损超过限度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。而报废和更换的。减少摩擦减少摩擦 节省能源；节省能源；减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造零降低设备维修次数和费用，节省制造零 件及其所需材料的费用。件及其所需材料的费用。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。 2-3 2-3 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性二、摩擦的分类二、摩擦的分类-依据摩擦状态依据摩擦状态 “机械说机械说” 摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用； “分子说分子说” 摩擦原

13、因是表面材料分子间的吸力作用；摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；一、摩擦的机理一、摩擦的机理 “机械分子说机械分子说” 两种作用均有。两种作用均有。V干摩擦干摩擦两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。冷焊点，运动时被剪切。 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！功耗功耗 磨损磨损 温度温度 烧毁轴瓦烧毁轴瓦 vV边界摩擦边界摩擦 运动副表面有一层厚度运动副表面有一层厚度350 才开始氧化，才开始氧化， 可在水中工作。可在水中工作。-摩擦系数低，使用温度范围广摩擦系数低，使用温度范围广 (-60300 )，但遇水

14、性能下降。，但遇水性能下降。-摩擦系数低，只有石墨的一半。摩擦系数低，只有石墨的一半。使用方式：使用方式：1.调和在润滑油中；调和在润滑油中；2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。混入金属或塑料粉末中烧结成型。油性添加剂油性添加剂 种类种类添加剂添加剂-为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。二、添加剂二、添加剂 作用作用-提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。极压添加剂极压添加剂分散净化剂分散净化剂消泡添加剂消泡添加剂抗氧化添加剂抗氧化添加剂降凝剂降凝剂增粘剂增