《第2章机械零件的疲劳强度.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章机械零件的疲劳强度.ppt（47页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第二章 机械零件的强度（ Strength）,一. 教学目标,2、了解并掌握疲劳破坏的特征、机理及影响因素；,二. 重点和难点,3、掌握材料的疲劳曲线和极限应力图；,4、掌握影响机械零件疲劳强度的主要因素；,5、掌握单向稳定变应力时安全系数的计算。,本章重点： 1、材料的疲劳曲线和极限应力图； 2、单向稳定变应力时安全系数的计算。,本章难点： 非稳定变应力时安全系数的计算。,1、了解机械零件强度基本概念；,第一节 机械零件强度的基本概念,一、强度准则,1通过判断危险截面的最大许用应力（，）是否小于或等于许用应力，。,2通过判断危险截面上实际的安全系数（S，S）是否大于或等于许用安全系数（S，S
2、）,强度可分为静应力强度和变应力强度。,1、静应力强度,在静应力（N103）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。,2、变应力强度,在变应力下工作的零件，其失效形式将是疲劳破坏。因此需要计算其疲劳强度。,二、强度的分类,三、机械零件的表面强度,一些依靠表面接触工作的零件，它们的工作能力取决于接触表面的强度。,1、表面挤压强度,是指零件表面抵抗表面挤压破坏的能力。,2、表面接触强度,是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力，如齿轮。,3、表面磨损强度,在滑动摩擦下工作的零件常因过度磨损而失效，如滑动轴承。, 光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）,1、破坏过程,应力较大
3、处产生初始裂纹，形成一个或多个疲劳源。 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。,2、破坏面特征,3、断裂特征,2）破坏时的 ，远低于 ，甚至低于 。,第二节 疲劳破坏的特征,1）断口无明显塑性变形的脆性突然断裂 更具突然性，更危险。,4、结论,疲劳断裂是疲劳损伤的积累，初期零件表层形成微裂纹，随N的增大裂纹扩展，扩展到断截面不足承受外载，发生断裂。,故变应力下，零件的极限应力既不能取材料的强度极限也不能取屈服极限，应为疲劳极限。,5、影响疲劳断裂的主要因素,应力、应力循环次数N和应力循环特性r,第三节 材料的疲劳曲线和极限应力图,一、-N疲劳曲线,疲劳曲线是应力循环特性r一定时，
4、材料的疲劳极限与应力循环次数N之间的关系曲线。,疲劳极限 ：在一定循环特性r下，材料经过循环N次后不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限。,疲劳寿命（N）：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。,当N103(104) 低周循环，疲劳极限接近于屈服极限。由于疲劳极限几乎与循环次数无关，所以按静强度计算。,当 高周循环，疲劳极限随循环次数增加而降低。,有限寿命区,当 时，疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。,循环基数N0： N0值随材料性质的不同而不同，一般硬度越高， N0值越大。通常金属材料的疲劳极限是在107循环次数下试验得到的。,注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。,疲劳曲线方程,
5、材料常数m随材料和应力状态而定。 钢 m=9拉应力、弯应力、切应力； m=6接触应力 青铜 m=9弯曲应力 ；m=8接触应力,寿命系数,循环特性r不同时的疲劳曲线形状相似，但略有不同。一般，r越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。 对称循环（应力循环特性=-1）时，对零件最不利。,二、材料的疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线图）,B脉动疲劳极限点,A对称疲劳极限点,C静应力强度极限点,极限应力线上的每个点，称为极限应力点，表示了某个应力比下的极限应力 。,疲劳寿命为N0时的等寿命疲劳曲线图,为便于计算，常将塑性材料的极限应力图简化为折线形状。,AD段的方程为：,例：已知材料的力学性能为S=2
6、60MPa， -1=170MPa， =0.2，绘制此材料的极限应力图。,解：,则,第四节 影响机械零件疲劳强度的主要因素,一、应力集中的影响,有效应力集中系数,参见P42附表3-4附表3-6,为考虑零件几何形状的理论应力集中系数，参见P38附表3-13-3.,材料对应力集中的敏感系数，参见P41附图3-1.,二、零件尺寸的影响尺寸系数,由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著。参见P42附图3-2、附图3-3及附表3-7。,表面越粗糙，零件的疲劳强度就越低。参见P44附图3-4.,参见P44附表3-9附表3-1
7、1.,试验证明应力集中，零件尺寸和表面状态 只对应力幅 有影响，而对平均应力 无影响（即对静应力无影响）。计算时，零件的工作应力幅应乘以综合影响系数，或用材料的极限应力幅除以综合影响系数。,四、综合影响系数,或,第四节 机械零件的疲劳强度计算,一、许用疲劳极限应力图,考虑了综合影响系数 和寿命系数 后的疲劳极限应力图。,二、求零件疲劳强度的步骤,2、计算出的平均应力 和应力幅 。,3、在极限应力图中标出工作应力点M（ ， ）。,1、先求出零件危险截面上的最大应力 和 。,4、根据零件工作应力的增长规律，在零件的许用极限应力线上确定出相应的极限应力点。,5、计算零件的安全系数。,三、单向稳定变应
8、力时机械零件的疲劳强度计算,稳定变应力平均应力、应力幅和周期都不随时间变化的变应力,非稳定变应力若平均应力、应力幅和周期中只要有一个随时间变化的变应力,多数转轴中的弯曲应力状态,1、,a)当工作应力点位于OAD内,零件的疲劳极限：,安全系数为：,等效应力幅,b)工作应力点位于ODG内,按静强度计算,2、,a) 当工作应力点位 于OADH区域,强度计算：,b）工作应力点位于GHD区域时，极限应力为屈服极限,强度条件为：,车辆减震弹簧的应力状态,3、 受轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态,a）工作应力位于OAJ区域内,为负值，工程中罕见，故不作考虑。,b)工作应力点位于OJDI区域内,强度条件
9、:,c)工作应力点位于IGD区域,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，若要求零件在有限寿命范围内使用时，即应力循环次数103(104)NN0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-1N 代-1 ，以0N代0,3）当无法判断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，只需将改为即可。,1、塑性材料,2、 脆性材料与低塑性材料,四、复合应力状态时机械零件的疲劳强度计算,2-5受变幅循环应力时,1、Miner 法则疲劳损伤线性累积假说,由最大应力分别为 、 、 的三个
10、恒幅循环应力构成的规律性变幅循环应力。,寿命损伤率,显然，在 的单独作用下，当 ， 寿命损伤率1 时，就会发生疲劳破坏。,五、规律性非稳定变应力时零件的疲劳强度,受变幅循环应力时2,Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率之和等于1时，则会发生疲劳破坏。,即：,注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。,2、疲劳强度设计,损伤等效,用 表示等效应力 的疲劳寿命。,用 表示等效应力 的循环次数。,受变幅循环应力时3,损伤等效即为： 的寿命损伤率各应力的寿命损伤率之和。,即：,由疲劳曲线方程可知：,（可看作是等效方程
11、）,则上式变为：,将上式求出的 代入疲劳曲线方程即可求出 下的条件疲劳极限：,下一步即可进行零件安全系数的计算。,例题2：,一杆件如下图所示，受脉动循环拉力 ，r=常数，材料为40Mn钢，调质处理，200HB230HB，B735MPa，S471MPa，圆角精铣加工(相当于精车)，要求应力循环次数不低于5105 ，求圆角处危险截面的安全系数S。,解：,1、求 和,2、求 和 （需要查阅相关设计手册）,3、求KN,4、求圆角处,q=0.64,有效应力集中系数：,理论应力集中系数：,材料的敏感性系数：,尺寸系数：,表面质量系数（P44附图3-4）,5、求安全系数,计算疲劳强度安全系数,计算屈服强度安
12、全系数,已知某钢材的机械性能为 。 （1）试按比例绘制该材料的简化疲劳极限应力图； （2）由该材料制成的零件，承受非对称循环应力，其应力循环特性r=0.3，工作应力 ，零件的有效应力集中系数 ，零件的尺寸系数 ，表面状态系数 ，按简单加载情况在该图中标出工作应力点及对应的极限应力点； （3）判断该零件的强度是否满足要求？,解： （1）绘制材料的简化疲劳极限应力图。,例3：,S（1000，0）,E,A（0，500）,B（400，400）,O,a,m,A（0， ） B（ ， ） S（ ，0）,A（0，500） B（400，400） S（1000，0）,（2）绘制零件的许用极限应力图,S点不必进行修正,A（0，278.5） B（400，222.8） S （1000，0）,S（1000，0）,E,A（0，500）,B（400，400）,O,a,m,A（0，278.5） B（400，222.8） S （1000，0）,A（0，278.5）,B（400，222.8）,E,（3）确定工作应力点M的坐标。,工作应力点的坐标为M（520，280）,M（520，280）,M（520，280）,M,M点落在疲劳安全区OAE以外，该零件发生疲劳破坏。,