第三机械零件的强演示文稿

第三机械零件的强度演示文稿当前1页，总共39页。（优选）第三机械零件的强度当前2页，总共39页。二.机械零件的强度方法1.设计计算：2.校核计算：1）应力校核计算：2）安全系数校核计算：三.变应力

——

应力随时间而变化2.循环变应力（周期变化）1.非循环变应力（非周期变化）符合统计规律稳定循环变应力（等幅变应力）非稳定循环变应力（变幅变应力）非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力当前3页，总共39页。2.循环变应力周期变化1.非循环变应力（非周期变化）符合统计规律稳定循环变应力（等幅变应力）非稳定循环变应力（变幅变应力）非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力Ots一个循环Ost当前4页，总共39页。σmσmaxσaσmintσO3.应力的描述——

应力谱（载荷谱）1）最大应力：max2）最小应力：min3）平均应力：m4）应力幅值：a应力的参数：5）循环特性：r

——表示应力变化的情况当前5页，总共39页。对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力静应力σtσmaxσminσaOσmσmaxσaσtOσmσmaxσaσmintσOσ=常数σtO循环变应力的类型及特性：当前6页，总共39页。变应力关系：注意：

1）变应力是由变载荷产生的，也可能是由静载荷产生的。2）在变应力作用下，零件产生的是疲劳破坏。当前7页，总共39页。四.变应力作用下机械零件的失效形式——金属疲劳简介1.概念零件在交变应力作用下，局部产生的永久性形变，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象，称为疲劳破坏。2.历史1839年巴黎大学教授庞赛洛特（PanceletJU）在讲课中首先使用了金属疲劳的概念。19世纪中期，随着铁路运输的发展，断轴的事故常有发生，引起人们对疲劳破坏现象的研究兴趣。当时沃勒（WohlerA）首先在旋转弯曲疲劳试验机上进行开创性的试验研究，提出了应力一寿命图和疲劳极限的概念。为纪念他对疲劳强度研究工作所做的杰出贡献，人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线（即s—N曲线）称为沃勒曲线，尽管在他当时的研究工作中并没有使用这种曲线。其后，盖帕尔（Gerber）和古德曼（Goodman）分别研究了平均应力对寿命的影响，后者还提出了考虑平均应力影响的简单理论。当前8页，总共39页。3.典型事故1953年5月2日一架彗星号客机从印度加尔各答机场起飞后不久在半空中解体；1954年1月10日，另一架彗星号在地中海上空爆炸；不到3个月，又一架彗星号在罗马起飞后在空中爆炸。为了找到事故的原因，英国皇家航空研究院的工程师进行了大量的研究工作，终于确认是座舱的疲劳裂纹所致。1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。2002年5月25日，台湾中华航空611号班机（波音747-200）由中正国际机场飞往香港国际机场，在半途中于澎湖上空约1万米高空处解体坠毁，造成机上人员（206名乘客及19名机组人员）全部遇难。该飞机飞行时数64,810小时，曾因重落地损伤到机尾蒙皮，仅简单修补该处，造成该地方累积了金属疲劳的现象。1988年4月28日，美国来往夏威夷和檀香山的波音737-200型客机——阿罗哈航空243号班机，在飞行途中发生瞬间失压事故，造成飞机严重损毁。事故是由裂缝生锈导致金属疲劳引起，裂痕的位置位于登机门附近，此裂痕很即为飞机经过超过89,000次飞行所造成的金属疲劳。人类付出昂贵的代价才获得了对金属疲劳的认识。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。当前9页，总共39页。5.疲劳破坏断裂面特征4.疲劳破坏的过程应力集中处产生初始裂纹裂纹扩展瞬时断裂循环应力作用夹杂物和基体界面开裂（多相金属）滑移带开裂（纯金属或单相合金）晶界开裂（高温下）第一阶段与拉应力轴成45o方向扩展第二阶段垂直于拉应力轴方向扩展疲劳断口裂纹扩展区瞬时断裂区由于裂纹断口的反复摩擦导致断口较光滑剩余承载面积不足产生沿晶界界面瞬时断裂，断裂截面较粗糙初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区轴当前10页，总共39页。（1）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限s

；（2）无明显塑性变形的脆性突然断裂；（3）是损伤的累积，裂纹随应力循环次数N扩展后断裂。6.疲劳破坏的特征裂纹沿危险截面由齿顶向内部扩展（箭头所指处）弯曲疲劳断口的宏观形貌（A箭头所指处为磨损区，B为瞬时断裂区）扭转疲劳断口的宏观形貌（箭头处为过渡圆角部位）当前11页，总共39页。§3-2材料的疲劳特性一、材料疲劳的两种类型机械零件材料的抗疲劳性能是通过试验决定的。即在材料的标准试件上加上循环特性为r的等幅变应力，通常是加上循环特性为r=-1的对称循环变应力或者r=0的脉动循环（也叫零循环）的等幅变应力，并以循环的最大应力max表征材料的疲劳极限，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N，即可得到疲劳曲线，通称-N曲线。图中No为规定的应力循环次数，称为循环基数；对应于No时的极限应力r

，称为材料的疲劳极限。当前12页，总共39页。高周疲劳区低周疲劳次疲劳区高周疲劳区次疲劳区低周疲劳区一般金属的S-N曲线可分为如下三段：低周疲劳区该段曲线特点：应力大、循环次数少，局部进入塑性变形区，故亦称为应变疲劳区。该段的计算应采用应变值进行计算。高周疲劳区该段曲线特点：应力小、循环次数较大，亦称为应力疲劳区。该段的计算应采用应力值进行计算。次疲劳区该段曲线只有延性材料（如钢）才有，而对于脆性材料（如有色金属及其合金等）则无此区域。该段曲线对应的应力称为持久疲劳极限。当前13页，总共39页。不同的失效概率，材料的S-N曲线也不同，失效概率按照正态分布。一般，一批相同的试样在相同的载荷下进行试验，取其中50%未发生疲劳破坏前的循环次数N为试验次数，即可靠度R=0.5时的极限应力及其N作S-N曲线，故不同的可靠度下有不同的S-N曲线。高周疲劳区低周疲劳次疲劳区高周疲劳区次疲劳低周疲劳区当前14页，总共39页。高周疲劳线段分为两部分：二、疲劳曲线1）有限寿命（CD段）：曲线方程：m——材料常数，m=6~20由于ND（106~25106）较大，为了确定常数C，通常规定ND=N0，试验得rN0rN0——循环基数；N0=（1~10）106这样：2）无限寿命（C点以后段）：当前15页，总共39页。三.极限应力图1.材料的极限应力图及其简化对于不同循环的试验应力，材料的疲劳极限值也是不同的，因此，材料的S-N曲线不能反映出应力的循环特性r

对材料的疲劳极限的影响，故以平均应力m

为横坐标，以应力幅a为纵坐标作图，便得到其极限应力图。A(r=-1)C(r=0)B(r=+1)SA点：对称循环变应力下的极限应力为：B点：静应力下的极限应力为：C点：脉动循环变应力下的极限应力为：当前16页，总共39页。材料工作时许用范围对于塑性材料，存在着屈服极限S

，由S作GS线，则线上任意一点的最大应力（极限应力）均为GOS内为材料的塑性变形所允许的区域，在该区域内材料不发生塑性变形。OACB内为材料疲劳破坏所允许的区域，在该区域内材料不发生疲劳破坏。AHG阴影——材料未发生显著塑性变形，但已出现疲劳现象；HBS阴影——材料未发生疲劳现象，但已出现塑性变形。GACHBS材料的许用范围为：ACHSO当前17页，总共39页。材料极限应力的简化——疲劳极限方程折线方程——以AF和FS折线近似代替(1)FS

线为屈服极限，其上处处有：(2)

线为疲劳极限，且通过A

，C

两点。该段直线方程为：斜率K为：ACFHBS当前18页，总共39页。令为，称为等效系数（将平均应力折合为应力幅的系数）。则上式化为：故该线段方程为：综合以上可得材料的疲劳极限方程为：当前19页，总共39页。2.零件的极限应力图及其简化考虑应力集中、绝对尺寸、表面质量、强化等因素时的疲劳极限，一般通过大量试验确定，理论设计时引入：应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低用应力集中系数来考虑绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数来考虑表面质量：表面精加工，能提高疲劳极限用表面质量系数来考虑强化处理：表面强化处理，能提高疲劳极限用零件强化系数来考虑各个系数的值参见P3541本章附录。综合影响系数：当前20页，总共39页。对于变应力：其中，为静应力成分，故：而则受k、和影响，考虑到有：对于静应力：即为材料静强度极限；不受k、和的影响。零件的极限应力可以将作分解：综合影响系数对应力的影响当前21页，总共39页。零件极限应力的简化——零件疲劳极限方程BSFACAC的方程：斜率为：故有：当前22页，总共39页。BSFACFS的方程：所以：零件疲劳极限方程当前23页，总共39页。同样，按照上述方法可写出剪应力的极限应力曲线方程。直线：直线：当前24页，总共39页。一.单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算

变应力的应力比保持不变，即：r=C

变应力的平均应力保持不变，即：m=C

变应力的最小应力保持不变，即：min=C§3-2机械零件的疲劳强度计算一般步骤：1）由外载荷计算max、minm、a——工作应力；2）将工作应力m、a标在零件极限应力图上，得工作应力点：

M（m，a

）3）确定工作应力点M（m，a

）所对应的零件的极限应力点

M（me

，ae）零件的极限应力4）计算安全系数：

零件的极限应力点的确定：

按零件的加载方式分当前25页，总共39页。（如转轴）1.变应力的应力比保持不变，即上式表示：r=C时，为过坐标原点O的一条直线。1）如果OM线与AG线交于M（me

，ae），则有：联立两条线方程当前26页，总共39页。2）如果ON线与GC线交于N（me，ae），则有：

注意：如果工作应力点在OGC区域内，则lin=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区：疲劳强度静强度当前27页，总共39页。2.变应力的平均应力保持不变，即（如振动中的弹簧）上式表示为平行纵坐标的一条直线。1）如果此线与AG线交于M（me

，ae），则有：当前28页，总共39页。极限应力图分两个区：疲劳强度静强度2）如果此线与GC线交于N（me，ae），则有：

注意：如果工作应力点在HGC区域内，则lin=s，这时按静应力计算当前29页，总共39页。3.变应力的最小应力保持不变，即（如受轴向变载荷的紧螺栓的应力状态）式表示为：过M点与横坐轴夹角45°的一条直线。1）如果此线与AG线交于M（me，ae），则有：

当前30页，总共39页。同样，按照上述方法可写出剪应力的疲劳强度计算公式。略…2）如果此线与GC线交于N（me，ae），则有：

注意：如果工作应力点在IGC区域内，则lin=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区：疲劳强度静强度当前31页，总共39页。二.规律性单向不稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算疲劳损伤是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用—N曲线和m

—a曲线以表示在不同应力水平下达到疲劳破坏所需要的循环次数。同样，对于实际的零件或构件等，也可通过试验直接测定零件的疲劳曲线。但应当指出：只有在一个应力水平下循环加载才能直接用—N曲线来估计零件寿命。如果在两个或更多个应力水平下循环加载，就无法直接用—N曲线来估计零件的寿命了。例如零件在两个应力水平下加载，用—N曲线我们可确定l作用下到破坏时的循环次数为N1，在2作用下，到破坏时的循环次数为N2；但我们无法直接知道在l和2联合作用下(两者之组合可取多种多样)，零件的寿命到底是多少,必须借助于疲劳损伤积累理论。当前32页，总共39页。1.疲劳损伤积累的概念当材料承受高于其疲劳极限的应力时，每一循环都将使材料产生一定量的损伤，该损伤能积累，达到其临界值时就会发生破坏。----------疲劳损伤积累理论（假说）2.疲劳损伤积累的线性方程式设作用于试样的变应力为σi

>σ-1

，作用的循环次数为ni

，该应力水平下的极限寿命为Ni

。由实验证实：当变应力σi＜0.7σ-1时不起损伤作用；即σi0.7σ-1的各个应力，每循环一次就造成一次寿命损失，则应力σi经ni次循环所造成的损伤为其临界破坏时的(ni/Ni)倍。当前33页，总共39页。为其疲劳破坏的条件，故：令D为试件损伤极限（临界值），故有：——Palmgrem-Miner定理该假设为德国人Palmgrem于1924年首先提出（用于滚动轴承计算），美国人Miner又于1945年重新在试验的基础上完善。式中，D值无物理意义，可理解为疲劳裂纹的临界长度。英国的Forrest等人的大量试验研究（包括二级载荷及程序加载试验），其数据发表于1962年牛津版《FatigueofMetals》，当前34页，总共39页。3.规律性单向不稳定变应力时的疲劳强度计算由线性积累原理，对于对称循环变应力，有(ni/Ni)1，所以有即：为其强度判据。令为当量应力，即可将变幅i