机械零件的强详解演示文稿

机械零件的强度详解演示文稿目前一页\总数三十五页\编于十五点优选机械零件的强度目前二页\总数三十五页\编于十五点静应力变应力——不随时间改变或变化缓慢——随时间作周期性或非周期性变化变应力稳定变应力——周期性循环变应力非稳定变应力——非周期性循环变应力稳定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4.1.2应力的分类目前三页\总数三十五页\编于十五点σ=常数σttσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin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OσtOσOσtO目前四页\总数三十五页\编于十五点几个应力参数平均应力：应力幅：对称循环:σm=0;σa=σmax脉动循环:σm=σa=σmax/2目前五页\总数三十五页\编于十五点循环特征：——表示应力变化的情况对称循环r=-1脉动循环r=0非对称循环r≠0且|r|≠1;静应力r=+1用σr表示循环特征为r的变应力。如σ-1、σ0等目前六页\总数三十五页\编于十五点注意：变载荷→变应力静载荷→静应力？或变应力nP●an目前七页\总数三十五页\编于十五点主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：σ≤[σ]或τ≤[τ]许用应力：σlim、τlim—极限应力s—安全系数4.2机械零件的静强度目前八页\总数三十五页\编于十五点塑性材料：σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσB、τB—材料强度极限σs、τs—材料屈服极限强度条件也可用安全系数来表示目前九页\总数三十五页\编于十五点4.3机械零件的疲劳强度疲劳断裂具有以下特征:1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低;2)不管脆性材料或塑性材料,其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲劳断裂是损伤的积累,它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹,这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展,直至余下的未裂开的截面积不足以承受外荷载时,零件就突然断裂在变应力作用下,机械零件的主要失效形式是疲劳断裂4.3.1疲劳断裂特征目前十页\总数三十五页\编于十五点初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区强度条件：σlim=？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关N—应力循环次数σrN—疲劳极限（对应于N）N0—循环基数σr—持久极限轴4.3.2疲劳极限对任一给定的应力循环特性r,当应力循环N次后,材料不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限,以σrN

表示。以N或lgN为横坐标,σrN或lgσrN

为纵坐标,把表示σrN

(或lgσrN

)和N(或lgN)的关系曲线称为疲劳曲线或σ-N曲线目前十一页\总数三十五页\编于十五点由此得：与应力状态有关的指数金属材料的疲劳曲线可分为如下两类:对于大多数黑色金属及其合金,当应力循环次数N高于某一数值N0后,疲劳曲线呈现为水平直线;而对有色合金和高硬度合金钢,无论N值多大,疲劳曲线也不存在水平部分有明显水平部分的疲劳曲线可以分为两个区域:N<N0的部分称为有限寿命区,N≥N0的部分称为无限寿命区s－N疲劳曲线钢m=9——拉、弯应力、剪应力m=6——接触应力青铜m=9——弯曲应力m=8——接触应力目前十二页\总数三十五页\编于十五点对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力，再由应力循环特性可求出和、以为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限和的关系图4.3.3疲劳极限应力图同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图目前十三页\总数三十五页\编于十五点

折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。目前十四页\总数三十五页\编于十五点4.3.4影响机械零件疲劳强度的主要因素影响机械零件疲劳强度的因素很多,有应力集中、零件尺寸、表面状况、环境介质、加载顺序和频率等,1.应力集中的影响有效应力集中系数:材料、尺寸和受载情况都相同的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值,即式中:σ-1、(σ-1)k———无应力集中试样和有应力集中试样的疲劳极限。目前十五页\总数三十五页\编于十五点2.绝对尺寸的影响当其他条件相同时,零件尺寸越大,则其疲劳强度越低。其原因是由于尺寸大时,材料晶粒粗,出现缺陷的概率大,机加工后表面冷作硬化层相对较薄,疲劳裂纹容易形成。截面绝对尺寸对疲劳极限的影响,可用绝对尺寸系数εσ表示。绝对尺寸系数定义:直径为d的试样的疲劳极限(σ-1)d

与直径d0=6～10mm的试样的疲劳极限(σ-

1)d0的比值,即目前十六页\总数三十五页\编于十五点3.表面状态的影响表面状态包括表面粗糙度和表面处理的情况。零件表面光滑或经过各种强化处理(如喷丸、表面热处理或表面化学处理等),可以提高零件的疲劳强度表面状态对疲劳极限的影响可用表面状态系数β表示。表面状态系数定义:试样在某种表面状态下的疲劳极限(σ-

1)β与精抛光试样(未经强化处理)的疲劳极限(σ-

1)β0的比值目前十七页\总数三十五页\编于十五点由实验得知,应力集中、尺寸效应和表面状态只对应力幅有影响,对平均应力没有影响。通常,可将这三个系数综合考虑,称为综合影响系数,即在计算时,零件的工作应力幅要乘以综合影响系数目前十八页\总数三十五页\编于十五点4.3.5许用疲劳极限应力图对于有应力集中、绝对尺寸和表面状态影响的零件,在计算安全系数时必须考虑综合影响系数(kσ)D或(kτ)D和寿命系数kN

对疲劳强度的影响在简化疲劳极限应力图基础上得到许用疲劳极限应力目前十九页\总数三十五页\编于十五点4.3.6稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算1.许用应力法机械零件在变应力作用下的疲劳强度计算与静强度计算相似,即零件危险点处的最大工作应力应小于或等于零件的许用应力危险点处的最大工作应力σmax仍按静载荷时的应力公式计算,其许用应力取零件的疲劳极限σrN除以规定的安全系数Sσ目前二十页\总数三十五页\编于十五点零件在对称循环下的许用应力用[σ-1]来表示,则对称循环下的疲劳强度条件为对某些受不对称循环变应力的零件,其疲劳强度条件可取为式中,σa、[σa]分别为零件所受的最大工作应力幅和许用应力幅。目前二十一页\总数三十五页\编于十五点进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点n或m。根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。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平均应力为常数σm=C最小应力为常数σmin=C相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。2.安全系数法危险截面处的S≥[S](1)单向应力状态时的安全系数目前二十二页\总数三十五页\编于十五点1、——大多数转轴中的应力状态∴过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于M1´和N1´点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同,M1´和N1´点即为所求的极限应力点目前二十三页\总数三十五页\编于十五点a)当工作应力点位于OAG内极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算零件的极限应力(疲劳极限)正应力安全系数同理，切应力安全系数ψσ、ψτ是将平均应力折合为应力幅的等效系数,其大小表示材料对循环不对称特性的敏感程度目前二十四页\总数三十五页\编于十五点b)工作应力点位于OGC内极限应力为屈服极限，按静强度计算目前二十五页\总数三十五页\编于十五点2、——振动中的受载弹簧的应力状态需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力，如图，过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AGC于M2´（N2´）点，即为极限应力点

a)当工作应力点位于OAGH区域极限应力为疲劳极限

强度条件：

b）工作应力点位于GHC区域极限应力为屈服极限

强度条件为：

目前二十六页\总数三十五页\编于十五点3、——变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态

∴过工作应力点M（N）作与横坐标成45°的直线，则这直线任一点的最小应力均相同，∴直线与极限应力线图交点即为所求极限应力点。

目前二十七页\总数三十五页\编于十五点a)工作应力点位于OJGI区域内求AG与MM3´的交点:强度条件:极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算目前二十八页\总数三十五页\编于十五点c）工作应力位于OAJ区域内b)工作应力点位于IGC区域极限应力为屈服极限按静强度计算∵极限应力点为静强度条件——为负值，工程中罕见，故不作考虑。

目前二十九页\总数三十五页\编于十五点5）等效应力幅

注意：1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用r=C的情况计算2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数103(104)<N<No时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限，即应以σ-1N代σ-1，以σoN代σo3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况4）对切应力上述公式同样适用，只需将σ改为τ即可。目前三十页\总数三十五页\编于十五点(2)复合应力状态时的安全系数很多零件(如转轴)在工作时同时受有弯曲应力和扭转应力的复合变应力作用。根据试验研究和理论分析,可导出零件在对称循环弯扭复合应力状态下的疲劳强度安全系数计算式为式中的Sσ和Sτ可根据下面的公式计算:目前三十一页\总数三十五页\编于十五点4.3.7非稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算非稳定循环变应力的种类常见的非稳定循环变应力有两种:规律性非稳定变应力:应力按一定规律周期性变化,且应力幅也是按一定规律周期性变化(2)随机性非稳定变应力:应力的变化不呈周期性,而带有偶然性,随机性非稳定变应力可采用统计概率分布方法转化成规律性非稳定变应力。目前三十二页\总数三十五页\编于十五点疲劳损伤累积假说是:在疲劳裂纹形成和扩展的过程中,零件或材料内部的损伤是逐渐积累的,积累到一定程度才发生断裂。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目前三十三页\总数三十五