机械零件强度

1、第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度主要内容主要内容n载荷和应力的分类载荷和应力的分类n机械零件强度的基本概念机械零件强度的基本概念n材料的疲劳特性材料的疲劳特性n疲劳强度的计算疲劳强度的计算n提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的措施教学目标和教学重点教学目标和教学重点1、掌握载荷和应力的分类；、掌握载荷和应力的分类；2、熟悉机械零件强度的基本概念；、熟悉机械零件强度的基本概念；3、掌握材料的疲劳特性；、掌握材料的疲劳特性；4、 了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。教学目标教学目标:教学重点教学重点:1、稳定循环应力类型及参

2、量；、稳定循环应力类型及参量；2、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。1 1、零件设计中的载荷及其分类、零件设计中的载荷及其分类 静载荷静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷. .变载荷变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷. . 一、载荷和应力的分类载荷可分为静载荷和变载荷两类。 注意注意: :在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。 2应力的分类应力的分类 静应力静应力：不随时间

3、变化或变化缓慢的应力。：不随时间变化或变化缓慢的应力。变应力变应力: : 随时间变化的应力。随时间变化的应力。一、载荷和应力的分类 变应力又可分为稳定循环变应力、非稳定循环变应力以变应力又可分为稳定循环变应力、非稳定循环变应力以及随机变应力等。最基本的变应力为及随机变应力等。最基本的变应力为稳定循环变应力稳定循环变应力。 描述稳定循环变应力有5个参量，应力幅a、平均应力m 、最小应力min 、最大应力max和循环特性系数r。但其中只有两个参数是独立的。两种类别sm平均应力； sa应力幅值smax最大应力； smin最小应力r 循环特性（应力比）2minmaxmsss2minmaxasssmax

4、minssr上述参数中只有两个参数是独立的。 一、载荷和应力的分类2应力的分类应力的分类 r = -1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力非对称循环应力应力分类图示：应力分类图示： 稳定循环变应力的类型有非对称循环变应力非对称循环变应力、脉动循环变应力脉动循环变应力和对称循环变应力对称循环变应力三种。 2应力的分类应力的分类 强度可分为静应力强度和变应力强度强度可分为静应力强度和变应力强度 a静应力强度静应力强度： 二、机械零件强度的基本概念 在静应力下工作的零件，其失效形式将是断裂在静应力下工作的零件，其失效形式将是断裂或塑性变形。因此需要计算静强度。或塑性变形。因此需要计算静强度。

5、b变应力强度变应力强度： 在变应力下工作的零件，其失效形式将是疲劳在变应力下工作的零件，其失效形式将是疲劳断裂。因此需要计算其疲劳强度。断裂。因此需要计算其疲劳强度。 1 1、基本概念、基本概念 零件在变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏，零件在变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏，一般也称为疲劳失效。一般也称为疲劳失效。 疲劳破坏产生的过程是：在变应力作用下，零件表面首疲劳破坏产生的过程是：在变应力作用下，零件表面首先产生初始裂纹，形成一个或数个疲劳源。在变应力的继续先产生初始裂纹，形成一个或数个疲劳源。在变应力的继续作用下，初始裂纹处的应力集中促使裂纹扩展，使零件的实作用下，初始裂纹处的应力集中促

6、使裂纹扩展，使零件的实际承载面积逐渐减小，直至不能承受外载荷时，导致零件突际承载面积逐渐减小，直至不能承受外载荷时，导致零件突然发生脆性断裂。然发生脆性断裂。 三、材料的疲劳特性a 疲劳破坏：疲劳破坏：特点：特点： 1在某类变应力多次作用后突然断裂；在某类变应力多次作用后突然断裂； 2断裂时变应力的最大应力远小于材料的屈服极限断裂时变应力的最大应力远小于材料的屈服极限 3即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形。即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形。 由此可见，疲劳破坏不仅仅与由此可见，疲劳破坏不仅仅与应力的大小应力的大小有关，而有关，而且还与且还与应力循环次数应力循环次数和和应力循环特性

7、应力循环特性有关。有关。 循环特性循环特性r r一定时，应力循环一定时，应力循环N N次后，材料不发生疲次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称为劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限疲劳极限。三、材料的疲劳特性1 1、基本概念、基本概念疲劳曲线CD段段( (有限寿命区间有限寿命区间) ): :)(DCmrNNNNCNs)DrrNNN （ssD点以后点以后(无限寿命区间无限寿命区间): 用用N N0 0及其相对应的疲劳极限及其相对应的疲劳极限 r来近来近似代表似代表N NDD和和 r,r,有：有：CNN0mrmrNss2 2、 s sN疲劳曲线疲劳曲线sN疲劳曲线三、材料的疲劳特性表示循环次数N和疲

8、劳极限间关系的曲线称s sN疲劳曲线rNs疲劳曲线有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：式中， N0为循环基数； sr为与N0相对应的疲劳极限m为材料常数，值由材料试验确定。rNmrKNNsss0rNsN疲劳曲线、 s sN疲劳曲线疲劳曲线三、材料的疲劳特性、极限应力线图（等寿命疲劳曲线）、极限应力线图（等寿命疲劳曲线） 机械零件材料的疲劳特性除用sN曲线表示外，还可用极限应力线图，即等寿命曲线来描述。该曲线表达了材料在不同循环特性下疲劳极限的特性。三、材料的疲劳特性在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。A直线的方程为：ma1s

9、ssssmasssC直线的方程为：0012ssss为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，0.10.2，对于合金钢，0.20.3。四、机械零件的疲劳强度计算在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。1s材料对称循环弯曲疲劳极限e1s零件对称循环弯曲疲劳极限sssKe11零件的对称循环弯曲疲劳极限为: 1、零件的极限应力线图eK11sss如设弯曲疲劳极限的综合影响系数 ，且 机械零件的疲劳强度计算1 机械零件的疲劳强度计算22、单向稳定变应力时的疲劳强度计算工作应力点:M N。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种： 应力比为常数：r=C (如大多数转轴中的

10、应力状态)详细分析平均应力为常数m=C (如震动着的受载弹簧中的应力状态) 最小应力为常数min=C （如今螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的 应力状态）机械零件的疲劳强度计算33、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强度计算不稳定变应力非规律性规律性按损伤累积假说进行疲劳强度计算规律性不稳定变应力机械零件的疲劳强度计算3当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，对应于极限状况有：1332211NnNnNnSScacass1计算安全系数：机械零件的疲劳强度计算44、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa 和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：12e1a2e1asstt式中 ta及sa为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。计算安全系数：22caSSSSOMOMS机械零件的疲劳强度计算5五、提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。 适当提高零件的表面质量，特