机械设计第3章课件

1、第 3 章 机械零件的疲劳强度 第 3 章 机械零件的疲劳强度 本章思路：首先找出材料的疲劳极限（做实验得）找到零件的许用疲劳极限（实际使用的）应力集中（即零件形状）尺寸影响。表面状况。根据零件的工作区，计算安全系数。本章思路：首先找出材料的疲劳极限（做实验得）找到零件的许用疲两种疲劳强度计算：安全寿命设计：准则：在规定的工作期限内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。按N曲线进行有限寿命和无限寿命计算，或按pN曲线进行低周循环疲劳计算。破损安全设计：准则：允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的工作周期内仍能安全地工作。按 曲线进行疲劳裂纹寿命计算。两种疲劳强度计算：1 疲劳断

2、裂特征在变应力下工作的零件，失效为疲劳断裂：(1)第一阶段：在表面应力较大处产生初始裂纹，形成疲劳源；(2)第二阶段：裂纹扩展，直至断裂；(3)各种内部缺陷都可能产生裂纹，应力集中促使表面裂纹的产生和发展。现象：(1)形成光滑的疲劳发展区粗糙的脆性断裂区；(2)粗糙的脆性断裂区是由于剩余截面静应力强度不足造成，载荷大，粗糙表面越大。1 疲劳断裂特征在变应力下工作的零件，失效为疲劳断裂：2-1 概 述疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的 ，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。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

3、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”。 “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。2-1 概 述疲劳破坏 机械零件在循环应力作脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹概述2C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。对材料的组成、零件形状、尺寸、表面状态、使用条件和外界环境等较敏感。 脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹概述2C）疲劳破坏是一个损伤累积机械设计第3

4、章课件机械设计第3章课件2 疲劳曲线和疲劳极限应力图 一. 疲劳曲线：疲劳极限：在r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值，rN或rN。疲劳寿命N： 材料疲劳失效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。在疲劳强度计算中，取 。疲劳曲线（N或N）：表示循环特性r一定时，循环次数N与疲劳极限rN间的关系曲线；疲劳曲线分为：NN0为无限寿命区。2 疲劳曲线和疲劳极限应力图 一. 疲劳曲线：疲劳寿典型的疲劳曲线如右图所示： 可以看出： 随 N 的增大而减小。但是当 N 超过某一循环次数 N0 时，曲线 趋于水平。即 不再随 N的增大而减小。 N0 -循环基数。

5、以 N0 为界，曲线分为两个区： 1）无限寿命区：当 N N0 时，曲线为水平直线，对应的疲劳极 限是一个定值，用 表示。它是表征材料疲劳强度的重要 指标，是疲劳设计的基本依据。 典型的疲劳曲线如右图所示： 可以看出： 机械设计第3章课件疲劳曲线2 可以认为：当材料受到的应力不超过 时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。寿命是无限的。 与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：2）有限寿命区： 非水平段（NN0）的疲劳极限称为条件疲劳极 限，用 表示 。当材料受到的工作应力超过 时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。寿命是有限的。 1）无限寿命设计： N N0 时的设计。取 。 2）有

6、限寿命设计： N N0 时的设计。取 。 疲劳曲线2 可以认为：当材料受到的应力不超过 有限寿命区： 低周循环疲劳：当N103（104）次时，疲劳极限接近屈服极限，疲劳极限几乎与循环次数的变化无关。此阶段一般按静应力强度计算，重要情况下，按低周期循环疲劳设计。高周循环疲劳：当N103（104）时的循环叫。其中103（104）NN0时，疲劳极限随循环次数的增加而降低。有限寿命区： 无限寿命区：NN0时，疲劳曲线为水平线，rN、rN与N的变化无关。基本循环次数（循环基数）N0时的疲劳极限：记为循环特性为r时为r、r： 对称循环时，r=-1，则为-1、-1； 脉动循环时，r=0，则为0、0。疲劳曲线

7、图的画法： 知道N0点疲劳极限r（B点）和N=103次的疲劳极限（取为0.9s（A点），则可作出AB段；有色金属和高强度合金钢的疲劳曲线没有无限寿命区； 无限寿命区：计算：1）N103（104）：按静应力强度进行计算。2）在103（104）NN0 有限寿命区内：疲劳曲线方程： 已知N0和r、r，则在任意N次循环时疲劳极限为： 计算：已知N0和r、r，则在任意N次循环时疲劳极限为： 表面接触疲劳曲线形状和方程同上面，N 次时的疲劳极限为HN；3）说明：循环基数N0：材质不同，N0 不同；钢HB ，N0 ： 金属材常取N0=107 ：当NN0时，则按实际的N计算kN2）指数m：据疲劳方程： 得：

8、表面接触疲劳曲线形状和方程同上面，N 次时的疲劳极限为HN对钢：拉、弯和切应力时，m=9；接触应力时m=6；对青铜：弯曲应力时m=9；接触应力时m=8；-1/m为AB曲线的斜率。对钢：拉、弯和切应力时，m=9；接触应力时m=6；机械设计第3章课件不同循环特性r时的疲劳曲线：具有相似形状。r rN不同循环特性r时的疲劳曲线：具有相似形状。r r二.疲劳极限应力图：材料在相同循环次数和不同循环特性下有不同得疲劳极限，用ma图表示；塑性材料的疲劳极限应力图近似抛物线分布；低塑性和脆性材料的疲劳极限应力图呈直线形状。循环 N0次时的疲劳极限应力图。A(0，-1)对称循环点；B(0/2，0/2)脉动循环

9、点；F(B，0)为静强度极限点； 疲劳寿命为 （无限寿命）时的 极限应力图如右图所示。二.疲劳极限应力图： 疲劳寿命为 极限应力线上的每个点，都表示了某个应力比下的极限应力 。 极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点 A、B、C 分别为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。 极限应力线上的每个点，都表示了某个应力比下的极限应力 机械设计第3章课件三.塑性材料简化疲劳极限应力图：由于AE线与实际疲劳曲线非常接近，故用AE线近似代替实际疲劳曲线，因此AE线上任一点都代表了一定循环特性时疲劳极限。AE线上的极限应力：2）ES为塑性极限线，该线上任一点的极限应力为：三.塑性材料简化疲劳极限

10、应力图：由于AE线与实际疲劳曲线非常机械设计第3章课件机械设计第3章课件机械设计第3章课件注：1）疲劳曲线的用途：在于根据 确定某个循环次数 N 下 的条件疲劳极限 。 2）极限应力图的用途：在于根据 确定非对称循环应力 下的疲劳极限以计算安全系数。 注：1）疲劳曲线的用途：在于根据 确定某个循环次数 3 影响机械零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的因素： 应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序及频率。其中最主要是下面三个方面： 前边提到的各疲劳极限 ，实际上是材料的力学性能指标，是用试件通过试验测出的，是材料的疲劳极限。 而实际中的各机械零件与标准试件，在形状，表面质量以及绝对

11、尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用试件测出的必然有所不同。 3 影响机械零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的因素2）平板肩部圆角处理论应力集中系数：B/b ， ，圆角r/b ， ；一. 应力集中影响：零件受载时，形状突变处要产生应力集中，并且对应力集中的敏感还与零件的材料有关。有效应力集中系数：2）平板肩部圆角处理论应力集中系数：B/b ， 机械设计第3章课件机械设计第3章课件机械设计第3章课件6）同一截面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大有效应力集中系数进行计算。二.尺寸影响：1）零件尺寸对疲劳强度的影响用尺寸系数和表示；2）尺寸越大， ， rN ，对零件疲劳

12、强度的不良影响更显著；3）一般取。强度极限越高得钢，敏感系数q越大，对应力集中越敏感；铸铁零件由外形引起得应力集中远低于内部组织得应力集中，故取q=0，K=K=1；6）同一截面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大有效应力钢的强度极限 ，表面越粗糙，则 ；用高强度合金钢制造的零件，为增加疲劳强度，表面应有较高的质量。5）采用淬火、渗碳、渗氮等热处理工艺，抛光、喷丸、滚压等冷作工艺可提高疲劳强度，改善后的表面状况系数可能大于1，计算时仍取1。三.表面状态的影响：零件表面质量对疲劳强度的影响用表面状态系数和表示；表面状况越差Ra ， ，rN ；对钢： ；4）铸铁对加工后表面状态不敏感，取；钢的强

13、度极限 ，表面越粗糙，则 ；三.表面状态的影冷拉加工会降低疲劳强度； 腐蚀也会降低疲劳强度。四.综合影响系数：实验证明：应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力幅有影响，对平均应力没有明显影响；综合影响系数：3）在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数或材料的极限应力幅要除以综合影响系数。冷拉加工会降低疲劳强度；3）在计算时，零件的工作应力幅要乘以因此，(K)D ，零件的疲劳极限re 。由于零件形状变化、尺寸大小、表面状况及强化因素等影响，（使零件的疲劳极限）rer（材料试件的疲劳极限）。因此，(K)D ，零件的疲劳极限re 。由4 许用疲劳极限应力图 一.稳定变应力和非稳定变应力：变应力稳

14、定变应力：m 、a和周期不随t变化的应力。非稳定变应力：规律性非稳定变应力：载荷和工作转速作周期性规律变化的应力。随机性非稳定变应力：载荷和工作转速作随机变化的应力。m 、a和周期中任何一个随t变化的应力。（常由载荷或工作转速变化引起）4 许用疲劳极限应力图 一.稳定变应力和非稳定变应力：变机械设计第3章课件机械设计第3章课件机械设计第3章课件二.零件许用疲劳极限应力图：二.零件许用疲劳极限应力图：由于零件几何形状变化、尺寸大小、表面加工质量及强化因素等影响，使（零件的疲劳极限）re107，取Nv=N0=107，则kN=1；对HB350的钢，若Nv25107，取Nv=N0=25107。当NvN

15、0时，则按实际的Nv计算kN计算kN时，也可将各变应力换为相应的载荷：计算kN时，钢取N0=107：受拉（压）、弯、扭时i（或i）Fi，v（或v）Fv；对于接触强度，两球接触时 两圆柱体接触 另一种转换方法：在计算规律性非稳定变应力下零件疲劳强度时，可据总寿命损伤率相等的条件，将非稳定变应力折算成一个循环次数N0时的等效应力进行计算，或将非稳定变载荷折算成一个等效转速时的等效载荷进行计算。 受拉（压）、弯、扭时i（或i）Fi，v（或v）F三.规律性非稳定变应力时安全系数计算步骤：取v=非稳定变应力中作用时间最长和起主要作用的应力i；并取v的应力幅av和平均应力mv相应地等于i的应力幅ai和平均应力mi；求等效循环次数Nv；求kN和等效疲劳极限rv；按等效