第六章機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾個主要技術(shù)問題

1、1 第六章第六章 機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾個主要技術(shù)問題機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾個主要技術(shù)問題 第一節(jié)第一節(jié) 機械疲勞設(shè)計機械疲勞設(shè)計 一、疲勞破壞的機制和特點一、疲勞破壞的機制和特點 1 1、概念、概念 1 1）疲勞：材料或零件在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在）疲勞：材料或零件在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在 一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過一一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過一 定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程稱定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程稱 為疲勞。為疲勞。 2 2 2）交變應(yīng)力或交變應(yīng)變：對于疲勞問題，由于構(gòu)件）交變應(yīng)力或交變應(yīng)變：對于疲勞問題，由于構(gòu)件 受到載荷值隨

2、時間變化的交變載荷作用，使零件的受到載荷值隨時間變化的交變載荷作用，使零件的 材料內(nèi)部產(chǎn)生隨時間變化的內(nèi)力分布或變形分布，材料內(nèi)部產(chǎn)生隨時間變化的內(nèi)力分布或變形分布， 稱之為交變應(yīng)力或交變應(yīng)變。稱之為交變應(yīng)力或交變應(yīng)變。 3 3）疲勞失效：在交變應(yīng)力與交變應(yīng)變的作用下構(gòu)）疲勞失效：在交變應(yīng)力與交變應(yīng)變的作用下構(gòu) 件因發(fā)生疲勞破壞而使其喪失正常工作性能的現(xiàn)象件因發(fā)生疲勞破壞而使其喪失正常工作性能的現(xiàn)象 稱之為疲勞失效；稱之為疲勞失效； 4 4）疲勞強度：試件抵抗疲勞失效的能力稱之為材料）疲勞強度：試件抵抗疲勞失效的能力稱之為材料 的疲勞強度。衡量材料或結(jié)構(gòu)疲勞強度大小的指標的疲勞強度。衡量材料或

3、結(jié)構(gòu)疲勞強度大小的指標 之一是之一是“疲勞強度極限疲勞強度極限”，簡稱，簡稱“疲勞極限疲勞極限”。 3 2 2、疲勞破壞機理、疲勞破壞機理 疲勞破壞一般可分為三個階段：疲勞破壞一般可分為三個階段： (1)(1)疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生 由局部塑件應(yīng)變集中引起，由局部塑件應(yīng)變集中引起， 有三種常見的裂紋萌生方式：滑移帶開裂；晶界和有三種常見的裂紋萌生方式：滑移帶開裂；晶界和 孿晶界開裂；夾雜物或第二相與基體的界面開裂。孿晶界開裂；夾雜物或第二相與基體的界面開裂。 如：滑移帶開裂的過程是出如：滑移帶開裂的過程是出 現(xiàn)滑移線，在循環(huán)載荷作用下，現(xiàn)滑移線，在循環(huán)載荷作用下， 隨著載荷作用次數(shù)的增加，滑

4、隨著載荷作用次數(shù)的增加，滑 移線不斷增多和變粗而形成滑移線不斷增多和變粗而形成滑 移帶和駐留滑移帶?；平Y(jié)果，移帶和駐留滑移帶。滑移結(jié)果， 在駐留滑移帶上形成在駐留滑移帶上形成“擠入擠入” 或或“擠出擠出”現(xiàn)象，在繼續(xù)循環(huán)現(xiàn)象，在繼續(xù)循環(huán) 加載的情況下擠入部分向滑加載的情況下擠入部分向滑 移帶縱深發(fā)展，從而形成疲勞移帶縱深發(fā)展，從而形成疲勞 微裂紋。如圖微裂紋。如圖72示。示。 4 (2)疲勞裂紋的擴展。疲勞裂紋擴展分為兩個階段：疲勞裂紋的擴展。疲勞裂紋擴展分為兩個階段： 當疲勞裂紋在滑移帶上萌生之后，首先沿著滑移當疲勞裂紋在滑移帶上萌生之后，首先沿著滑移 帶的主滑移面向著金屬內(nèi)部延伸，此滑移

5、面取向與帶的主滑移面向著金屬內(nèi)部延伸，此滑移面取向與 正應(yīng)力大致成正應(yīng)力大致成45角的滑移面擴展。裂紋沿著最大角的滑移面擴展。裂紋沿著最大 切應(yīng)力方向的滑移面擴展稱為疲勞裂紋第一擴展階切應(yīng)力方向的滑移面擴展稱為疲勞裂紋第一擴展階 段。該階段擴展的深度很淺，大約有幾十個微米長段。該階段擴展的深度很淺，大約有幾十個微米長 度，其范圍在度，其范圍在25個晶粒之內(nèi)。個晶粒之內(nèi)。 當裂紋擴展到幾個晶?；驇资畟€晶粒深度之后，當裂紋擴展到幾個晶?；驇资畟€晶粒深度之后， 裂紋擴展方向開始由應(yīng)力呈裂紋擴展方向開始由應(yīng)力呈45方向逐漸轉(zhuǎn)向與應(yīng)方向逐漸轉(zhuǎn)向與應(yīng) 力成垂直的方向，這種拉伸形式的擴展稱為第二階力成垂直的

6、方向，這種拉伸形式的擴展稱為第二階 段裂紋擴展，如圖段裂紋擴展，如圖7-1示。示。 5 (3)(3)失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂 損傷逐漸積累到臨界值時，即發(fā)生損傷逐漸積累到臨界值時，即發(fā)生 瞬間的斷裂破壞。疲勞破壞的斷口如圖瞬間的斷裂破壞。疲勞破壞的斷口如圖7 72 2。 6 3 3、疲勞破壞有如下特點：、疲勞破壞有如下特點： 1 1）疲勞斷裂應(yīng)力）疲勞斷裂應(yīng)力( (即循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力即循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力) )遠比靜遠比靜 應(yīng)力下材料的抗拉極限應(yīng)力下材料的抗拉極限b b低，甚至比材料的屈服低，甚至比材料的屈服 極限極限s s低很多情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。低很多情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。 2 2）

7、不論是脆性材料或塑性材料；疲勞斷裂在宏觀）不論是脆性材料或塑性材料；疲勞斷裂在宏觀 上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然脆性斷裂上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然脆性斷裂。 3 3）疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力多次重復(fù)作用下產(chǎn)生的，）疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力多次重復(fù)作用下產(chǎn)生的， 因而要經(jīng)歷一定的時間，甚至很長時間。因而要經(jīng)歷一定的時間，甚至很長時間。 4 4）材料或零部件，對疲勞載荷遠比靜載荷敏感很）材料或零部件，對疲勞載荷遠比靜載荷敏感很 多，其疲勞抗力不僅決定于材料本身，而且還敏感多，其疲勞抗力不僅決定于材料本身，而且還敏感 地決定于零件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、工作條件和地決定于零件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、工作條

8、件和 所處環(huán)境等。所處環(huán)境等。 7 5 5）在疲勞破壞的宏觀斷口上，有著不同于其他破壞）在疲勞破壞的宏觀斷口上，有著不同于其他破壞 斷口的顯著特點，即有疲勞源斷口的顯著特點，即有疲勞源( (或稱疲勞核心或稱疲勞核心) )、疲、疲 勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，如圖勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，如圖7 72 2所示。所示。 疲勞源：是疲勞破壞的起點，多發(fā)生于零件表面；疲勞源：是疲勞破壞的起點，多發(fā)生于零件表面； 疲勞裂紋擴展區(qū)：是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域，疲勞裂紋擴展區(qū)：是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域， 在該區(qū)域中，常見到明顯的相互平行的弧形線，稱在該區(qū)域中，常見到明顯的相互平行的弧形線，稱 貝紋線或海灘波紋線；貝

9、紋線或海灘波紋線； 瞬斷區(qū)：也稱最終破斷區(qū)。這是靜力破斷部分。該瞬斷區(qū)：也稱最終破斷區(qū)。這是靜力破斷部分。該 區(qū)面積大小決定于最大應(yīng)力。對塑性材料該區(qū)呈纖區(qū)面積大小決定于最大應(yīng)力。對塑性材料該區(qū)呈纖 維狀，對脆性材料呈粗結(jié)晶狀。往往還具有尖銳的維狀，對脆性材料呈粗結(jié)晶狀。往往還具有尖銳的 唇邊、刃口等。唇邊、刃口等。 8 二、載荷類型二、載荷類型 掌握載荷的變化情況，是研究疲勞強度的先決條掌握載荷的變化情況，是研究疲勞強度的先決條 件，按照交變應(yīng)力的特征，可分為：對稱循環(huán)、脈件，按照交變應(yīng)力的特征，可分為：對稱循環(huán)、脈 動循環(huán)、不對稱循環(huán)動循環(huán)、不對稱循環(huán) (應(yīng)力比應(yīng)力比r)。 9 三、疲勞曲

10、線、疲勞極限三、疲勞曲線、疲勞極限 1 1疲勞曲線（疲勞曲線（S SN N曲線）曲線） 材料在疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱材料在疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱 為疲勞壽命，以為疲勞壽命，以N N表示。一般情況下，材料的強度極表示。一般情況下，材料的強度極 限愈高，外加應(yīng)力水平愈低，試樣的疲勞壽命愈長；限愈高，外加應(yīng)力水平愈低，試樣的疲勞壽命愈長； 反之，疲勞壽命愈短。反之，疲勞壽命愈短。 S S一一N N曲線：表示外加應(yīng)力水平和標推試樣疲勞壽命之曲線：表示外加應(yīng)力水平和標推試樣疲勞壽命之 關(guān)系的曲線，稱為材料的關(guān)系的曲線，稱為材料的S S一一N N曲線。曲線。 10 圖圖7

11、74 4表示典型的表示典型的S S一一N N曲線。圖中曲線有一水平曲線。圖中曲線有一水平 部分，表示材料經(jīng)無數(shù)次循環(huán)而不破壞，與此相部分，表示材料經(jīng)無數(shù)次循環(huán)而不破壞，與此相 應(yīng)的最大應(yīng)力表示光滑試樣的疲勞極限，用應(yīng)的最大應(yīng)力表示光滑試樣的疲勞極限，用-1-1表表 示。結(jié)構(gòu)鋼的示。結(jié)構(gòu)鋼的S S一一N N曲線都有一水平的漸近線，其曲線都有一水平的漸近線，其 縱坐標就是其疲勞極限縱坐標就是其疲勞極限-1-1。 在一組標準試件 上施加不同載荷F， 使試件承受應(yīng)力 比r為某值。最大 應(yīng)力為maxmax 的交 變應(yīng)力作用，將 試樣旋轉(zhuǎn)直到疲 勞破壞為止，并 記錄循環(huán)次數(shù)N。 11 如將如將S SN N

12、曲線的縱坐標和橫坐標都取成對數(shù)，則曲線的縱坐標和橫坐標都取成對數(shù)，則S S 一一N N曲線就成為一條斜直線和一條水平線組成的折線。曲線就成為一條斜直線和一條水平線組成的折線。 如圖如圖7-57-5所示。圖中斜直線的方程為：所示。圖中斜直線的方程為： 式中式中m m和和c c是材料常數(shù)，與材料性質(zhì)，試樣形式和加是材料常數(shù)，與材料性質(zhì)，試樣形式和加 載方式有關(guān)。兩條直線的交點載方式有關(guān)。兩條直線的交點N N0 0稱為循環(huán)基數(shù)。鋼的稱為循環(huán)基數(shù)。鋼的 N N0 0約為約為10107 7。兩直線交點的縱坐標就是疲勞極限。兩直線交點的縱坐標就是疲勞極限-1-1。 12 2.2.疲勞極限的經(jīng)驗公式疲勞極限

13、的經(jīng)驗公式 當材料的疲勞極限沒有給出時，只能根據(jù)材料當材料的疲勞極限沒有給出時，只能根據(jù)材料 的靜強度機械性能來近似計算、表的靜強度機械性能來近似計算、表7 7l l中列出材料中列出材料 的疲勞極限與靜強度的關(guān)系。的疲勞極限與靜強度的關(guān)系。 13 3. 3.疲勞極限圖疲勞極限圖( (疲勞圖疲勞圖) ) 在各種循環(huán)應(yīng)力下進行試驗，可以測得一系列疲勞在各種循環(huán)應(yīng)力下進行試驗，可以測得一系列疲勞 極限極限r(nóng) r，選取一定坐標給出的曲線稱為疲勞曲線圖。，選取一定坐標給出的曲線稱為疲勞曲線圖。 常用的疲勞曲線圖有兩種、即海夫因和史密斯圖，常用的疲勞曲線圖有兩種、即海夫因和史密斯圖， 這里重點介紹海夫因。

14、這里重點介紹海夫因。 把不同的應(yīng)力比把不同的應(yīng)力比r r下試下試 驗得到的疲勞極限，畫驗得到的疲勞極限，畫 在一張圖上，該圖叫疲在一張圖上，該圖叫疲 勞極限圖勞極限圖 14 四、影響疲勞強度的因素四、影響疲勞強度的因素 影響機械零部件疲勞強度的因素很多?？梢詺w納為影響機械零部件疲勞強度的因素很多?？梢詺w納為 四個方面：一是材料本身的化學(xué)成分、金相組織及內(nèi)四個方面：一是材料本身的化學(xué)成分、金相組織及內(nèi) 部缺陷等；二是零件的形狀、尺寸和表面狀況等；三部缺陷等；二是零件的形狀、尺寸和表面狀況等；三 是工作載荷的特性；四是工作環(huán)境及條件等。本節(jié)只是工作載荷的特性；四是工作環(huán)境及條件等。本節(jié)只 討論在常

15、規(guī)工作條件下的主要影響因素：零件形狀、討論在常規(guī)工作條件下的主要影響因素：零件形狀、 尺寸、表面狀況等對疲勞強度的影響。尺寸、表面狀況等對疲勞強度的影響。 15 1 1應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 在機械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在有槽在機械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在有槽 溝、軸肩、孔、拐角，切口等截面變化。這些外形突溝、軸肩、孔、拐角，切口等截面變化。這些外形突 然變化和材料不連續(xù)地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，然變化和材料不連續(xù)地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力， 即稱應(yīng)力集中。在抗疲勞設(shè)計中，為計算應(yīng)力集中的即稱應(yīng)力集中。在抗疲勞設(shè)計中，為計算應(yīng)力集中的 影響，引入了理論應(yīng)力集中系

16、數(shù)影響，引入了理論應(yīng)力集中系數(shù)。其定義為：在彈。其定義為：在彈 性變形范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值與名義應(yīng)力值之比性變形范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值與名義應(yīng)力值之比 稱理論應(yīng)力集中系數(shù)，即：稱理論應(yīng)力集中系數(shù)，即： 16 用理論應(yīng)力集中系數(shù)不能直接判斷局部應(yīng)力使疲用理論應(yīng)力集中系數(shù)不能直接判斷局部應(yīng)力使疲 勞強度降低多少，因為在不同材料中有不同的表勞強度降低多少，因為在不同材料中有不同的表 現(xiàn)。常用有效應(yīng)力集中系數(shù)現(xiàn)。常用有效應(yīng)力集中系數(shù)K來表示疲勞強度的來表示疲勞強度的 真正降低程度。即：真正降低程度。即： 17 2尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng) 當其它條件相同時，零件截面尺寸愈大其疲勞極限當其它條件相同時，零件

17、截面尺寸愈大其疲勞極限 也愈低。這是由于尺寸大時，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的也愈低。這是由于尺寸大時，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的 概率高和表面冷作硬化層相對薄等。概率高和表面冷作硬化層相對薄等。 截面絕對尺寸對零件疲勞強度的影響可用尺寸系數(shù)截面絕對尺寸對零件疲勞強度的影響可用尺寸系數(shù)表表 示，示，定義為直徑為定義為直徑為d的試件疲勞極限的試件疲勞極限-1d與直徑為與直徑為d0 (610)mm試件的疲勞極限試件的疲勞極限-1d0 的比值，即的比值，即: = -1d / -1d0 3表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響 表面強化可提高疲勞強度，而表面粗糙會降低疲勞強度表面強化可提高疲勞強度，而表面粗糙會降低疲勞強

18、度 。表面狀態(tài)對疲勞的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)。表面狀態(tài)對疲勞的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)表示。表示。 = -1 / -1 -1某種表面狀態(tài)下的疲勞極限；某種表面狀態(tài)下的疲勞極限； -1精拋光和未強化試件的疲勞極限。精拋光和未強化試件的疲勞極限。 18 五、疲勞設(shè)計五、疲勞設(shè)計 現(xiàn)行的疲勞設(shè)計法主要有以下幾種：現(xiàn)行的疲勞設(shè)計法主要有以下幾種： 1 1名義應(yīng)力疲勞設(shè)計法名義應(yīng)力疲勞設(shè)計法 以名義應(yīng)力為基本設(shè)計參數(shù)，以以名義應(yīng)力為基本設(shè)計參數(shù)，以S SN N曲線為主要曲線為主要 設(shè)計依據(jù)的疲勞設(shè)計方法稱為名義應(yīng)力疲勞設(shè)計法設(shè)計依據(jù)的疲勞設(shè)計方法稱為名義應(yīng)力疲勞設(shè)計法 。這種設(shè)計方法歷史最悠久，也稱為常規(guī)疲勞

19、設(shè)計。這種設(shè)計方法歷史最悠久，也稱為常規(guī)疲勞設(shè)計 法。根據(jù)設(shè)計壽命的不同，這種設(shè)計方法又可分為法。根據(jù)設(shè)計壽命的不同，這種設(shè)計方法又可分為 無限壽命設(shè)計法與有限壽命設(shè)計法：無限壽命設(shè)計法與有限壽命設(shè)計法： (1)(1)無限壽命設(shè)計法無限壽命設(shè)計法 要求零件在無限長的使用期要求零件在無限長的使用期 限內(nèi)不破壞，主要的設(shè)計依據(jù)是疲勞極限，也就是限內(nèi)不破壞，主要的設(shè)計依據(jù)是疲勞極限，也就是 S SN N曲線的水平部分。曲線的水平部分。 (2)(2)有限壽命設(shè)計法有限壽命設(shè)計法 要求零件在一定的使用期限要求零件在一定的使用期限 內(nèi)不破壞，其主要設(shè)計依據(jù)是內(nèi)不破壞，其主要設(shè)計依據(jù)是S SN N曲線的斜線

20、部分曲線的斜線部分 。這種設(shè)計方法常稱為安全壽命設(shè)計法。這種設(shè)計方法常稱為安全壽命設(shè)計法。 19 2. 2.局部應(yīng)力應(yīng)變分析法局部應(yīng)力應(yīng)變分析法 局部應(yīng)力應(yīng)變分析法是在低周疲勞的基礎(chǔ)上發(fā)局部應(yīng)力應(yīng)變分析法是在低周疲勞的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的一種疲勞壽命估算方法，其基本設(shè)計參數(shù)展起來的一種疲勞壽命估算方法，其基本設(shè)計參數(shù) 為應(yīng)變集中處的局部應(yīng)變和局部應(yīng)力。為應(yīng)變集中處的局部應(yīng)變和局部應(yīng)力。 3 3損傷容限設(shè)計法損傷容限設(shè)計法 損傷容限設(shè)計法是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來損傷容限設(shè)計法是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的一種疲勞設(shè)計方法。其設(shè)計思想以承認材料內(nèi)有的一種疲勞設(shè)計方法。其設(shè)計思想以承認材料內(nèi)有

21、初始缺陷為前提，并把這種初始缺陷看作裂紋，根初始缺陷為前提，并把這種初始缺陷看作裂紋，根 據(jù)材料在使用載荷下的裂紋擴展性質(zhì)，估算其剩余據(jù)材料在使用載荷下的裂紋擴展性質(zhì)，估算其剩余 壽命。這種方法的思路是，零件內(nèi)具有裂紋是不可壽命。這種方法的思路是，零件內(nèi)具有裂紋是不可 避免也并不可伯，只要正確估算其剩余壽命采取避免也并不可伯，只要正確估算其剩余壽命采取 適當?shù)臄嗔芽刂拼胧?，確保零件在使用期限內(nèi)能夠適當?shù)臄嗔芽刂拼胧_保零件在使用期限內(nèi)能夠 安全使用，則這樣的裂紋是允許存在的。安全使用，則這樣的裂紋是允許存在的。 20 4. 4.疲勞可靠性設(shè)計疲勞可靠性設(shè)計 疲勞可靠性設(shè)計是概率統(tǒng)計方法和疲勞

22、設(shè)計方法疲勞可靠性設(shè)計是概率統(tǒng)計方法和疲勞設(shè)計方法 相結(jié)合的產(chǎn)物，因此也稱為概率疲勞設(shè)計。這種設(shè)計相結(jié)合的產(chǎn)物，因此也稱為概率疲勞設(shè)計。這種設(shè)計 方法考慮了載荷、材料疲勞性能和其它疲勞設(shè)計數(shù)據(jù)方法考慮了載荷、材料疲勞性能和其它疲勞設(shè)計數(shù)據(jù) 分散性，可以把破壞概率限制在一定的范圍之內(nèi)，因分散性，可以把破壞概率限制在一定的范圍之內(nèi)，因 此其設(shè)計精度比其它疲勞設(shè)計方法為高。從原則上來此其設(shè)計精度比其它疲勞設(shè)計方法為高。從原則上來 說，上述三種疲將設(shè)計方法都可以應(yīng)用概率統(tǒng)計的方說，上述三種疲將設(shè)計方法都可以應(yīng)用概率統(tǒng)計的方 法進行疲勞可靠性設(shè)計，但目前用得最多和最成熟法進行疲勞可靠性設(shè)計，但目前用得最

23、多和最成熟 的是無限壽命設(shè)計法。的是無限壽命設(shè)計法。 21 疲勞強度設(shè)計一般可分為兩個階段：疲勞強度設(shè)計一般可分為兩個階段： 1)疲勞計算。根據(jù)材料的疲勞數(shù)據(jù)和零件的使用疲勞計算。根據(jù)材料的疲勞數(shù)據(jù)和零件的使用 條件，對零件的尺寸進行計算，或在靜強度設(shè)計的條件，對零件的尺寸進行計算，或在靜強度設(shè)計的 基礎(chǔ)上，零件的疲勞強度進行校核?；A(chǔ)上，零件的疲勞強度進行校核。 2)疲勞試驗。疲勞計算只能對零件的疲勞強度或疲勞試驗。疲勞計算只能對零件的疲勞強度或 壽命進行粗略估算壽命進行粗略估算,精確確定零件的疲勞壽命還主精確確定零件的疲勞壽命還主 要是靠疲勞試驗的方法。要是靠疲勞試驗的方法。 1無限壽命設(shè)

24、計無限壽命設(shè)計 在使用該種設(shè)計方法時，常是先用靜強度設(shè)計確定在使用該種設(shè)計方法時，常是先用靜強度設(shè)計確定 出零件尺寸，再進行疲勞強度校核出零件尺寸，再進行疲勞強度校核 。 22 （2 2）在非對稱循環(huán)下，當應(yīng)力比）在非對稱循環(huán)下，當應(yīng)力比r r保持不變時，保持不變時， 強度條件為：強度條件為： (1)在對稱循環(huán)下，按下述強度條件確定零件在對稱循環(huán)下，按下述強度條件確定零件 尺寸或驗算疲勞強度尺寸或驗算疲勞強度: 23 （3 3）在非對稱循環(huán)下，平均應(yīng)力）在非對稱循環(huán)下，平均應(yīng)力m m保持不變，應(yīng)保持不變，應(yīng) 用時要滿足以下兩式：用時要滿足以下兩式： 式中：式中：na應(yīng)力幅安全系數(shù)。應(yīng)力幅安全系

25、數(shù)。 對于切應(yīng)力可仿照以上各式并以對于切應(yīng)力可仿照以上各式并以代換代換即可。即可。 24 2 2安全壽命設(shè)計安全壽命設(shè)計 對于變幅應(yīng)力，按一定的累積損傷理論進行壽命估對于變幅應(yīng)力，按一定的累積損傷理論進行壽命估 算，對小于疲勞極限算，對小于疲勞極限r(nóng) r的應(yīng)力，可認為對疲勞強度無的應(yīng)力，可認為對疲勞強度無 影響計算時可不予考慮。按線性損傷理論有：影響計算時可不予考慮。按線性損傷理論有： 25 六、低周疲勞六、低周疲勞 1 1、概念、概念: :在循環(huán)加載過程中，當應(yīng)力水平很高，應(yīng)力在循環(huán)加載過程中，當應(yīng)力水平很高，應(yīng)力 蜂值蜂值maxmax接近或高于屈服強度而進入塑性區(qū)時接近或高于屈服強度而進入

26、塑性區(qū)時, ,每一每一 應(yīng)力循環(huán)有少量塑性變形，呈現(xiàn)應(yīng)力循環(huán)有少量塑性變形，呈現(xiàn)滯后回線，以滯后回線，以 至循環(huán)次數(shù)很低時就產(chǎn)生疲勞破壞。至循環(huán)次數(shù)很低時就產(chǎn)生疲勞破壞。 用應(yīng)力很難描述實際壽命的變化，因而改用應(yīng)變用應(yīng)力很難描述實際壽命的變化，因而改用應(yīng)變 來描述。用來描述。用為縱坐標，用破壞時的循環(huán)次數(shù)為縱坐標，用破壞時的循環(huán)次數(shù)N Nf f為為 橫坐標繪制低周疲勞曲線。因其控制因素是塑性應(yīng)變橫坐標繪制低周疲勞曲線。因其控制因素是塑性應(yīng)變 幅，故稱之為應(yīng)變疲勞。幅，故稱之為應(yīng)變疲勞。 承受高應(yīng)力水平的交變載荷的結(jié)構(gòu)如壓力容器、承受高應(yīng)力水平的交變載荷的結(jié)構(gòu)如壓力容器、 汽輪機殼體、炮筒、飛機

27、的起落架等，應(yīng)當考慮低周汽輪機殼體、炮筒、飛機的起落架等，應(yīng)當考慮低周 疲勞的問題。疲勞的問題。 26 2 2、特點：、特點：1 1）應(yīng)力水平高。）應(yīng)力水平高。 maxmax s s 2 2）循環(huán)次數(shù)少。）循環(huán)次數(shù)少。N10N103 3 3 3）應(yīng)變在疲勞破壞中起主要作用）應(yīng)變在疲勞破壞中起主要作用 4 4）斷裂壽命的變化對循環(huán)應(yīng)力的高）斷裂壽命的變化對循環(huán)應(yīng)力的高 低已不敏感。低已不敏感。 27 3 3、-N-N曲線曲線 圖圖7-67-6為一些材料的低周疲勞為一些材料的低周疲勞-N-N曲線，與曲線，與S-NS-N曲線曲線 不同，這里的各條曲線的斜率很陡。不同，這里的各條曲線的斜率很陡。 破壞

28、時的循環(huán)次數(shù)破壞時的循環(huán)次數(shù)N Nf f 28 總應(yīng)變幅總應(yīng)變幅T由彈性應(yīng)變幅由彈性應(yīng)變幅e和塑性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅p組組 成。成。 T = = e + + p 從實驗得到彈性應(yīng)變幅為從實驗得到彈性應(yīng)變幅為: 29 式式7-14稱為曼森稱為曼森科芬方程科芬方程 30 由圖由圖7-77-7：直線：直線 是塑性應(yīng)變幅與循環(huán)是塑性應(yīng)變幅與循環(huán) 次數(shù)的關(guān)系曲線，直次數(shù)的關(guān)系曲線，直 線線是彈性應(yīng)變幅與是彈性應(yīng)變幅與 循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線， 兩直線交于兩直線交于P P點，點， P P 點是低、高周疲勞的點是低、高周疲勞的 分界點，分界點，2 2N Nt t為過渡為過渡 壽命。壽命。 根

29、據(jù)式根據(jù)式(7-l4)(7-l4)可得圖可得圖7-77-7對稱循環(huán)全應(yīng)變幅與對稱循環(huán)全應(yīng)變幅與 循環(huán)次數(shù)曲線循環(huán)次數(shù)曲線( (對數(shù)坐標對數(shù)坐標) )。 lg2Ntlg2Nt 31 4 4、疲勞試驗曲線的獲得、疲勞試驗曲線的獲得 只要有只要有4 4個點即可確定個點即可確定e e-N-N和和p p-N-N兩條直線，兩條直線， 而不需去做大量疲勞試驗。四點作圖法如圖而不需去做大量疲勞試驗。四點作圖法如圖7-137-13所示。所示。 P1P1對應(yīng)于對應(yīng)于1/4(1g1/4=-0.6)1/4(1g1/4=-0.6)循環(huán)循環(huán)( (即一次拉伸至破即一次拉伸至破 壞壞) )的應(yīng)變幅度的彈性分量：的應(yīng)變幅度的彈

30、性分量：e e 2.5(2.5(f fE)E) P2P2對應(yīng)于對應(yīng)于10105 5次循環(huán)的應(yīng)變幅度的彈性分量次循環(huán)的應(yīng)變幅度的彈性分量 e e 0.9(0.9(b bE)E) 連接連接P1P1與與P2P2兩點，兩點， 即得即得e eN N曲線曲線2 2。 32 33 用上述四點法求出的材料應(yīng)變用上述四點法求出的材料應(yīng)變壽命曲線，適合壽命曲線，適合 于碳鋼、合金鋼、鋁、鈦等幾乎所有金屬材料。于碳鋼、合金鋼、鋁、鈦等幾乎所有金屬材料。 通過整理通過整理2929種材料的疲勞試驗結(jié)果得到：種材料的疲勞試驗結(jié)果得到： 該式的斜率對多種材料通用。故又稱該法為通用斜該式的斜率對多種材料通用。故又稱該法為通用

31、斜 率法。率法。 T 34 5 5、材料的選用原則、材料的選用原則 分析如圖分析如圖7-87-8：當：當2 2N Nf f2N2Nt t時為低周疲勞，材料塑性應(yīng)變時為低周疲勞，材料塑性應(yīng)變 （塑性應(yīng)變幅（塑性應(yīng)變幅p）起主導(dǎo)作用。高塑性材料表現(xiàn)出高起主導(dǎo)作用。高塑性材料表現(xiàn)出高 的低周疲勞斷裂抗力，所以在滿足強度的要求下宜采用的低周疲勞斷裂抗力，所以在滿足強度的要求下宜采用 高塑性材料；高塑性材料； 當當2 2N Nf f2N2Nt t時為高周疲勞，材料的彈性應(yīng)變（彈性應(yīng)變時為高周疲勞，材料的彈性應(yīng)變（彈性應(yīng)變 幅幅e ）起主導(dǎo)作用。高強度材料表現(xiàn)出高的高周疲勞）起主導(dǎo)作用。高強度材料表現(xiàn)出高

32、的高周疲勞 斷裂抗力，宜采用高強度材料。斷裂抗力，宜采用高強度材料。 2 2N Nt t一般為一般為3 310103 3次。次。 35 七、結(jié)構(gòu)疲勞試驗簡介七、結(jié)構(gòu)疲勞試驗簡介 影響零件疲勞強度的因素不僅與材料成分、組影響零件疲勞強度的因素不僅與材料成分、組 織結(jié)構(gòu)、熱處理和冷加工規(guī)范、試驗溫度等有織結(jié)構(gòu)、熱處理和冷加工規(guī)范、試驗溫度等有 關(guān)而且與試件關(guān)而且與試件( (或零件或零件) )尺寸、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力集尺寸、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力集 中、試件表面狀況、表面粗糙度、試驗介質(zhì)、與其中、試件表面狀況、表面粗糙度、試驗介質(zhì)、與其 它零件的相互配合等有關(guān)。由于上述影響因素的隨它零件的相互配合等有關(guān)。由于上

33、述影響因素的隨 機性，致使測出的疲勞特性機性，致使測出的疲勞特性( (疲勞極限、疲勞極限、S-NS-N曲線和曲線和 疲勞壽命疲勞壽命) )呈離散性分布，更增加了零件疲勞強度呈離散性分布，更增加了零件疲勞強度 的復(fù)雜程度。的復(fù)雜程度。 為了提高零件的使用壽命，不僅要進行結(jié)構(gòu)疲為了提高零件的使用壽命，不僅要進行結(jié)構(gòu)疲 勞強度設(shè)計，還要對重要機械的零件、部件直至整勞強度設(shè)計，還要對重要機械的零件、部件直至整 機作結(jié)構(gòu)疲勞試驗。機作結(jié)構(gòu)疲勞試驗。 36 1 1結(jié)構(gòu)疲勞試驗的基本類型與特點結(jié)構(gòu)疲勞試驗的基本類型與特點 一般機械零件的疲勞試驗分為零件疲勞試驗、模一般機械零件的疲勞試驗分為零件疲勞試驗、模

34、擬疲勞試驗和整機疲勞試驗三類。擬疲勞試驗和整機疲勞試驗三類。 (1)(1)零件疲勞試驗零件疲勞試驗 零件疲勞試驗是驗證零件結(jié)零件疲勞試驗是驗證零件結(jié) 構(gòu)疲勞設(shè)計質(zhì)量能否滿足使用強度要求的有效手構(gòu)疲勞設(shè)計質(zhì)量能否滿足使用強度要求的有效手 段，同時也可利用所得數(shù)據(jù)充實和修正疲勞設(shè)計段，同時也可利用所得數(shù)據(jù)充實和修正疲勞設(shè)計 理論。理論。 在進行零件疲勞試驗時，重點應(yīng)做好試驗規(guī)在進行零件疲勞試驗時，重點應(yīng)做好試驗規(guī) 范、加載方案和加載參數(shù)的選擇等問題。范、加載方案和加載參數(shù)的選擇等問題。 37 (2)模擬試驗?zāi)M試驗 大型機械零件的實物疲勞試驗，往往因大型機械零件的實物疲勞試驗，往往因 加載設(shè)備和場

35、地條件等限制而無法進行。為此，常加載設(shè)備和場地條件等限制而無法進行。為此，常 采用幾何相似模擬或局部應(yīng)力場模擬試驗的方法。采用幾何相似模擬或局部應(yīng)力場模擬試驗的方法。 3)整機疲勞試驗整機疲勞試驗 對于待別重要的機械和批量較大的對于待別重要的機械和批量較大的 機械，為了確保機械的可靠件，還必須在零件疲勞機械，為了確保機械的可靠件，還必須在零件疲勞 試驗的基礎(chǔ)上再作整機疲勞試驗。這種試驗可彌補試驗的基礎(chǔ)上再作整機疲勞試驗。這種試驗可彌補 因設(shè)計載荷確定誤差、環(huán)境、運動件接觸腐蝕等給因設(shè)計載荷確定誤差、環(huán)境、運動件接觸腐蝕等給 零件壽命帶來的影響得出更有價值的數(shù)據(jù)。但是，零件壽命帶來的影響得出更有

36、價值的數(shù)據(jù)。但是， 這種試驗的費用較昂貴，應(yīng)慎重選用。這種試驗的費用較昂貴，應(yīng)慎重選用。 38 2 2試驗結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計處理試驗結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計處理 由于結(jié)構(gòu)疲勞強度影響因素的隨機性，致使疲由于結(jié)構(gòu)疲勞強度影響因素的隨機性，致使疲 勞試驗結(jié)果呈離散分布，為了以少量試件的試驗結(jié)勞試驗結(jié)果呈離散分布，為了以少量試件的試驗結(jié) 果報知整批同樣零件的疲勞特性，一般均采用數(shù)理果報知整批同樣零件的疲勞特性，一般均采用數(shù)理 統(tǒng)計的方法處理結(jié)果數(shù)據(jù)，具體方法可參閱有關(guān)資統(tǒng)計的方法處理結(jié)果數(shù)據(jù)，具體方法可參閱有關(guān)資 料。料。 39 八、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢八、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 國內(nèi)外許多機械產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用疲勞設(shè)計和疲勞國內(nèi)

37、外許多機械產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用疲勞設(shè)計和疲勞 強度試驗，疲勞設(shè)計已由過去的名義應(yīng)力設(shè)計發(fā)展強度試驗，疲勞設(shè)計已由過去的名義應(yīng)力設(shè)計發(fā)展 到局部應(yīng)力應(yīng)變設(shè)計及預(yù)測疲勞壽命的階段，在斷到局部應(yīng)力應(yīng)變設(shè)計及預(yù)測疲勞壽命的階段，在斷 裂力學(xué)研究的基礎(chǔ)上又發(fā)展了損傷容限設(shè)計并在部裂力學(xué)研究的基礎(chǔ)上又發(fā)展了損傷容限設(shè)計并在部 分產(chǎn)品中應(yīng)用。分產(chǎn)品中應(yīng)用。 目前存在的問題是缺乏疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更未目前存在的問題是缺乏疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更未 建立疲勞設(shè)計規(guī)范。特殊工況下的疲勞問題和模擬建立疲勞設(shè)計規(guī)范。特殊工況下的疲勞問題和模擬 實物工況的整機疲勞試驗的研究尚處于探索階段。實物工況的整機疲勞試驗的研究尚處于探

38、索階段。 今后國內(nèi)外將著重研究損傷積累、隨機疲勞、環(huán)今后國內(nèi)外將著重研究損傷積累、隨機疲勞、環(huán) 境與介質(zhì)對疲勞性能的影響、疲勞壽命預(yù)測方法、境與介質(zhì)對疲勞性能的影響、疲勞壽命預(yù)測方法、 復(fù)合應(yīng)力下的多軸疲勞、彈塑性斷裂準則、裂紋擴復(fù)合應(yīng)力下的多軸疲勞、彈塑性斷裂準則、裂紋擴 展、微裂紋與門檻值等。展、微裂紋與門檻值等。 40 第二節(jié)第二節(jié) 摩擦學(xué)設(shè)計摩擦學(xué)設(shè)計 摩擦學(xué)：是研究摩擦、磨損和潤滑這幾個相互關(guān)聯(lián)摩擦學(xué)：是研究摩擦、磨損和潤滑這幾個相互關(guān)聯(lián) 領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)問題的綜合學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)問題的綜合學(xué)科 研究課題：綜合考慮機械系統(tǒng)中運動表面、能量和研究課題：綜合考慮機械系統(tǒng)中運動表面、能

39、量和 材料的消耗問題。主要有相互作用兩表面間的物理、材料的消耗問題。主要有相互作用兩表面間的物理、 化學(xué)、機械作用；摩擦、磨損潤滑的測量及計算方化學(xué)、機械作用；摩擦、磨損潤滑的測量及計算方 法；阻摩材料及減摩材料，極端條件下的摩擦與磨法；阻摩材料及減摩材料，極端條件下的摩擦與磨 損以及潤滑方面的理論。損以及潤滑方面的理論。 41 一、摩擦學(xué)設(shè)計的基本內(nèi)容一、摩擦學(xué)設(shè)計的基本內(nèi)容 摩擦學(xué)是指研究表面相對運動中相互作用的行為摩擦學(xué)是指研究表面相對運動中相互作用的行為 特性包括摩擦、磨損和潤滑在內(nèi)的一門跨學(xué)科特性包括摩擦、磨損和潤滑在內(nèi)的一門跨學(xué)科 的科學(xué)。機器中相對運動的表面構(gòu)成了一個摩擦的科學(xué)。

40、機器中相對運動的表面構(gòu)成了一個摩擦 副，由于摩擦副的失效常會導(dǎo)致機器零件甚至整副，由于摩擦副的失效常會導(dǎo)致機器零件甚至整 個機器的工作失效。因此，為了保證機器能完成個機器的工作失效。因此，為了保證機器能完成 要求的功能，必須適時正確地引人摩擦學(xué)設(shè)計。要求的功能，必須適時正確地引人摩擦學(xué)設(shè)計。 摩擦學(xué)設(shè)計的主要目標是在確保實現(xiàn)運動要求功摩擦學(xué)設(shè)計的主要目標是在確保實現(xiàn)運動要求功 能的前提下，使摩擦副具有：能的前提下，使摩擦副具有： 最小的摩擦功耗；最小的摩擦功耗；最低制造和運行維護成本；最低制造和運行維護成本； 必要的可靠性和壽命；必要的可靠性和壽命；最大的生產(chǎn)率和經(jīng)濟最大的生產(chǎn)率和經(jīng)濟 性。性

41、。 42 摩擦學(xué)設(shè)計的基本內(nèi)容包括：摩擦學(xué)設(shè)計的基本內(nèi)容包括： (1)摩擦副設(shè)計摩擦副設(shè)計 包括摩擦副的類型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇。包括摩擦副的類型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇。 (2)潤滑系統(tǒng)設(shè)計潤滑系統(tǒng)設(shè)計 包括潤滑劑和潤滑方法的選擇、潤滑系統(tǒng)的包括潤滑劑和潤滑方法的選擇、潤滑系統(tǒng)的 構(gòu)成和設(shè)計等。構(gòu)成和設(shè)計等。 (3)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計 為了獲得摩擦副當前運動狀為了獲得摩擦副當前運動狀 態(tài)的信息，并判斷出現(xiàn)非法運動的故障源包括溫度、振動傳態(tài)的信息，并判斷出現(xiàn)非法運動的故障源包括溫度、振動傳 感器、油質(zhì)監(jiān)視器的設(shè)計或選用；信號傳輸?shù)奶幚?、分析和存感器、油質(zhì)監(jiān)

42、視器的設(shè)計或選用；信號傳輸?shù)奶幚?、分析和?儲等。儲等。 (4)狀態(tài)補償和控制系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)補償和控制系統(tǒng)設(shè)計 當摩擦副的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化并當摩擦副的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化并 有可能成為故障時，該系統(tǒng)能提供附加的力、位移、剛度或阻有可能成為故障時，該系統(tǒng)能提供附加的力、位移、剛度或阻 尼等補償措施，繼續(xù)使機器保持要求的運動精度和功能。尼等補償措施，繼續(xù)使機器保持要求的運動精度和功能。 本節(jié)將著重介紹摩擦學(xué)設(shè)計中有關(guān)摩擦、磨損、材料選擇和本節(jié)將著重介紹摩擦學(xué)設(shè)計中有關(guān)摩擦、磨損、材料選擇和 潤滑方面的基礎(chǔ)知識。潤滑方面的基礎(chǔ)知識。 43 二、二、 接觸表面接觸表面 作相對運動的相互作用表面的摩擦學(xué)特性與

43、各作相對運動的相互作用表面的摩擦學(xué)特性與各 表面的表面性質(zhì)及表面間的接觸狀況有密切關(guān)系，表面的表面性質(zhì)及表面間的接觸狀況有密切關(guān)系， 是解決摩擦學(xué)問題的基礎(chǔ)。是解決摩擦學(xué)問題的基礎(chǔ)。 1 1表面形貌表面形貌 機械零件的表面與理想表面不同，是由制造形機械零件的表面與理想表面不同，是由制造形 狀誤差、波度，表面粗糙度和紋理構(gòu)成，如圖狀誤差、波度，表面粗糙度和紋理構(gòu)成，如圖9 92 2 所示。所示。 44 2 2接觸面積接觸面積 由于表面粗糙度及波紋的存在，兩固體表面接由于表面粗糙度及波紋的存在，兩固體表面接 觸時真實接觸只能發(fā)生在表面一些微凸體的頂部，觸時真實接觸只能發(fā)生在表面一些微凸體的頂部，

44、載荷只能通過這些微凸體的接觸頂峰傳遞，這與傳載荷只能通過這些微凸體的接觸頂峰傳遞，這與傳 統(tǒng)的赫芝理論關(guān)于接觸應(yīng)力的理想假設(shè)有很大的不統(tǒng)的赫芝理論關(guān)于接觸應(yīng)力的理想假設(shè)有很大的不 同。同。 如圖如圖9 93 3所示，在摩擦學(xué)中把接觸面積區(qū)分為：所示，在摩擦學(xué)中把接觸面積區(qū)分為： (1)(1)名義接觸面積名義接觸面積As As 以兩個固體宏觀界面的邊界以兩個固體宏觀界面的邊界 確定的面積，確定的面積，AsAsabab。 (2)(2)輪廓接觸面積輪廓接觸面積Ac Ac 由兩接觸固體波紋形成的接由兩接觸固體波紋形成的接 觸面積，觸面積，AcAc5 5一一1515AsAs。 45 (3)(3)真實接觸

45、面積真實接觸面積Ar Ar 由兩接觸固體直接傳遞界面由兩接觸固體直接傳遞界面 相互作用力的局部面積之和組成，如圖相互作用力的局部面積之和組成，如圖9 93 3中虛線中虛線 圈內(nèi)黑點圈內(nèi)黑點( (微實體微實體) )，通常，通常ArAr0.010.01一一0.10.1AsAs。 相應(yīng)在接觸面上法向載荷相應(yīng)在接觸面上法向載荷F FN N的作用下有：的作用下有： 名義壓力名義壓力PaPaF FN NAsAs； 輪廓壓力輪廓壓力PcPcF FN NAcAc； 和真實壓力和真實壓力PtPtF FN NArAr。 46 三、摩擦三、摩擦 1 1摩擦的分類摩擦的分類 摩擦的定義：是指兩個相互接觸的物體，抵抗在

46、外摩擦的定義：是指兩個相互接觸的物體，抵抗在外 力作用下產(chǎn)生相對運動或具有相對運動趨勢的現(xiàn)象力作用下產(chǎn)生相對運動或具有相對運動趨勢的現(xiàn)象 （或（或“抵抗兩物體接觸表面切向相對運動的現(xiàn)抵抗兩物體接觸表面切向相對運動的現(xiàn) 象象”）。摩擦的分類如表）。摩擦的分類如表9 91 1所示。所示。 47 48 2.摩擦的影響摩擦的影響 摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對 于機器來講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表面于機器來講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表?磨損。過渡的磨損會使機器喪失應(yīng)有的精度，進而磨損。過渡的磨損會使機器喪失應(yīng)有的精度，進而 產(chǎn)生振動和噪音

47、，縮短使用壽命。世界上使用的能產(chǎn)生振動和噪音，縮短使用壽命。世界上使用的能 源大約有源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少消耗于摩擦。如果能夠盡力減少 無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。 另外，機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損另外，機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損 超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損， 則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件 及其所需材料的費用。潤滑是減小摩擦、減小磨損、及其所需材料的費用。潤滑是減小摩擦、減小磨損、 提高

48、機械效率的最常用最有效的方法。提高機械效率的最常用最有效的方法。 49 3滑動摩擦滑動摩擦 (1)滑動摩擦機理滑動摩擦機理 有關(guān)滑動摩擦機理問題至今尚沒有關(guān)滑動摩擦機理問題至今尚沒 有統(tǒng)一的理論，目前有以下幾種理論：有統(tǒng)一的理論，目前有以下幾種理論： 1)機械理論機械理論 摩擦的起因是出于兩摩擦表面上的凹凸不平而摩擦的起因是出于兩摩擦表面上的凹凸不平而 造成的機械咬合。兩接觸表面作相對運動時，沿著造成的機械咬合。兩接觸表面作相對運動時，沿著 凹凸處反復(fù)地起落，或者把凸峰破壞，從而形成摩凹凸處反復(fù)地起落，或者把凸峰破壞，從而形成摩 擦阻力。擦阻力。 從機械理論出發(fā)，可得出表面比較光滑時，摩擦從機

49、械理論出發(fā)，可得出表面比較光滑時，摩擦 相對較小的結(jié)論。這在一般情況下是正確的僅無相對較小的結(jié)論。這在一般情況下是正確的僅無 法解釋某些情況下，十分光滑的表面間相對滑動時法解釋某些情況下，十分光滑的表面間相對滑動時 ，摩擦因數(shù)很大的現(xiàn)象。，摩擦因數(shù)很大的現(xiàn)象。 50 2) 2)分子理論分子理論 產(chǎn)生摩擦的主要原因是由于在兩物體摩擦表面產(chǎn)生摩擦的主要原因是由于在兩物體摩擦表面 間分子力的作用，產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間分子力的作用，產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子 間的吸力作用間的吸力作用 。故光面越光滑，摩擦阻力應(yīng)越大，。故光面越光滑，摩擦阻力應(yīng)越大， 由此推論，摩擦力的大小應(yīng)與接觸面積成比例

50、，但由此推論，摩擦力的大小應(yīng)與接觸面積成比例，但 這與實驗結(jié)果不一致。這與實驗結(jié)果不一致。 3)3)機械機械分子理論分子理論 機械機械分于理理論認為，摩擦過程既要克服分于理理論認為，摩擦過程既要克服 分子相互作用力，又要克服機械作用的阻力。摩擦分子相互作用力，又要克服機械作用的阻力。摩擦 力是接觸點上因分子吸引力和機械作用所產(chǎn)生的切力是接觸點上因分子吸引力和機械作用所產(chǎn)生的切 向阻力的總和。向阻力的總和。 認為兩種作用均有。認為兩種作用均有。 51 (2)滑動摩擦因數(shù)滑動摩擦因數(shù) 定義為摩擦力定義為摩擦力Ff和接觸面上和接觸面上 法向載荷法向載荷FN之比，即：之比，即： 在干摩擦情況下，滑動摩

51、擦因數(shù)在干摩擦情況下，滑動摩擦因數(shù)由三種情況下的由三種情況下的 系數(shù)組成：系數(shù)組成： 由表面不平度考慮，摩擦力就是克服雙方接觸表由表面不平度考慮，摩擦力就是克服雙方接觸表 面微凸體間的嚙合作用，在剛性情況下，摩擦力是面微凸體間的嚙合作用，在剛性情況下，摩擦力是 指能把一個表面的微凸體拾高到超過另一表面的微指能把一個表面的微凸體拾高到超過另一表面的微 凸體的力。如果錐形微凸體的平均傾斜角是凸體的力。如果錐形微凸體的平均傾斜角是，則：，則： =tg 52 由犁溝效應(yīng)看，是一方硬而尖的微凸體壓入軟的由犁溝效應(yīng)看，是一方硬而尖的微凸體壓入軟的 對方表層，在滑動時把對方軟金屬推擠到兩側(cè)或出對方表層，在滑

52、動時把對方軟金屬推擠到兩側(cè)或出 現(xiàn)切屑，軟金屬表面形成犁溝，這樣可以設(shè)想摩擦現(xiàn)切屑，軟金屬表面形成犁溝，這樣可以設(shè)想摩擦 力就是軟金屬壓入硬度和犁溝截面積的乘積，由此力就是軟金屬壓入硬度和犁溝截面積的乘積，由此 可得可得 由粘著效應(yīng)看，摩擦力能夠剪開由于微凸體間發(fā)生由粘著效應(yīng)看，摩擦力能夠剪開由于微凸體間發(fā)生 冷焊而形成的粘著狀態(tài)。此時冷焊而形成的粘著狀態(tài)。此時 53 54 可見：滑動摩擦因數(shù)主要與微凸體的高度、變形和可見：滑動摩擦因數(shù)主要與微凸體的高度、變形和 粘著狀況有關(guān)。當表面粗糙度、雙方的化學(xué)成分相粘著狀況有關(guān)。當表面粗糙度、雙方的化學(xué)成分相 差較大時，摩擦因數(shù)較低，磨損率也較低。環(huán)境

53、介差較大時，摩擦因數(shù)較低，磨損率也較低。環(huán)境介 質(zhì)也有影響，如摩擦副雙方都是硬鋼，在大氣介質(zhì)質(zhì)也有影響，如摩擦副雙方都是硬鋼，在大氣介質(zhì) 中中值為值為0.60.6，而在真空中，而在真空中值要高得多。石墨的配對值要高得多。石墨的配對 件在濕氣中件在濕氣中約值為約值為0.10.1，但在干燥空氣中可高達，但在干燥空氣中可高達0.50.5 以上。以上。 在潤滑條件下，滑動摩擦因數(shù)與油膜厚度有關(guān)，在潤滑條件下，滑動摩擦因數(shù)與油膜厚度有關(guān)， 當油膜厚度超過當油膜厚度超過25um25um時，或者說超過兩摩擦表面的時，或者說超過兩摩擦表面的 綜合表面粗糙度時，油膜將兩接觸表面分開，摩擦綜合表面粗糙度時，油膜將

54、兩接觸表面分開，摩擦 因數(shù)很小；當油膜厚度減薄到使配對材料某些微凸因數(shù)很??；當油膜厚度減薄到使配對材料某些微凸 體開始接觸體開始接觸, ,出現(xiàn)了邊界潤滑狀態(tài)時，摩擦因數(shù)增加出現(xiàn)了邊界潤滑狀態(tài)時，摩擦因數(shù)增加 ；當油膜減薄到比表面微凸體高度還小時，就產(chǎn)生；當油膜減薄到比表面微凸體高度還小時，就產(chǎn)生 了干摩擦，摩擦因數(shù)顯著增加。了干摩擦，摩擦因數(shù)顯著增加。 55 kr 56 4.4.滾動摩擦滾動摩擦 (1) (1) 滾動摩擦機理滾動摩擦機理 滾動摩擦機理較為復(fù)雜。滾動時不發(fā)生滑動摩擦滾動摩擦機理較為復(fù)雜。滾動時不發(fā)生滑動摩擦 時的時的“犁溝犁溝”和粘著接點的剪切現(xiàn)象。和粘著接點的剪切現(xiàn)象。 一般認

55、為滾動摩擦主要來自四個方面：一般認為滾動摩擦主要來自四個方面： 1 1）微觀滑移：比較重要的微觀滑移理論有：）微觀滑移：比較重要的微觀滑移理論有： 雷諾滑移雷諾滑移 雷諾用硬金屬圓柱體在橡膠平面上滾雷諾用硬金屬圓柱體在橡膠平面上滾 動，觀察到由于自由滾動時壓力在各個物體上引起動，觀察到由于自由滾動時壓力在各個物體上引起 的表面切向位移不等，導(dǎo)致界面上產(chǎn)生微量滑移并的表面切向位移不等，導(dǎo)致界面上產(chǎn)生微量滑移并 有相應(yīng)的摩擦能量損失。同樣機理可推廣于圓柱體有相應(yīng)的摩擦能量損失。同樣機理可推廣于圓柱體 在金屬表面上滾動的情形在金屬表面上滾動的情形 57 海斯考特滑移海斯考特滑移 19211921年海

56、斯考特提出了一種滑移年海斯考特提出了一種滑移 理論，實驗依據(jù)是用球在槽中滾動，由于球在接觸理論，實驗依據(jù)是用球在槽中滾動，由于球在接觸 線上各點對旋轉(zhuǎn)軸線的距離相差很大，于是產(chǎn)生切線上各點對旋轉(zhuǎn)軸線的距離相差很大，于是產(chǎn)生切 向牽引力和微觀滑移。向牽引力和微觀滑移。 卡脫滑移卡脫滑移 兩圓柱體發(fā)生相對滾動時，如果在滾兩圓柱體發(fā)生相對滾動時，如果在滾 動方向上有一個切向力，計算此時發(fā)生微觀滑移的動方向上有一個切向力，計算此時發(fā)生微觀滑移的 面積，結(jié)果顯示粘著區(qū)域位于接觸面積的前沿。這面積，結(jié)果顯示粘著區(qū)域位于接觸面積的前沿。這 與靜態(tài)問題不同，后者的粘著區(qū)域位于接觸面積的與靜態(tài)問題不同，后者的粘

57、著區(qū)域位于接觸面積的 中心。中心。 實驗證明：微觀滑移只占滾動摩擦很小的部分。實驗證明：微觀滑移只占滾動摩擦很小的部分。 58 2 2）彈性滯后）彈性滯后 當鋼球沿橡膠類的彈性體滾動時，使它前面的橡膠發(fā)當鋼球沿橡膠類的彈性體滾動時，使它前面的橡膠發(fā) 生變形因而對橡膠作功。橡膠的彈性恢復(fù)會對鋼球生變形因而對橡膠作功。橡膠的彈性恢復(fù)會對鋼球 的后部作功，從而推動鋼球向前滾動。因為任何材料的后部作功，從而推動鋼球向前滾動。因為任何材料 都不是完全彈性的，故相比之下，橡膠對鋼球所作的都不是完全彈性的，故相比之下，橡膠對鋼球所作的 功總是小于鋼球?qū)ο鹉z所作的功，總會損耗一些能量，功總是小于鋼球?qū)ο鹉z所作

58、的功，總會損耗一些能量， 即為變形過程中橡膠分子相互摩擦造成的滾動摩擦損即為變形過程中橡膠分子相互摩擦造成的滾動摩擦損 失。有時稱之為內(nèi)摩擦。失。有時稱之為內(nèi)摩擦。 3)3)塑性變形塑性變形 當鋼球在平面上滾動時，會使鋼球的附近和鋼球的當鋼球在平面上滾動時，會使鋼球的附近和鋼球的 前面的金屬發(fā)生塑性變形，從而在鋼球表面產(chǎn)生永久前面的金屬發(fā)生塑性變形，從而在鋼球表面產(chǎn)生永久 性凹槽。不難證明，使金屬發(fā)生塑性變形所需的力幾性凹槽。不難證明，使金屬發(fā)生塑性變形所需的力幾 乎正好等于所測得的滾動摩擦力。因此，滾動摩擦力乎正好等于所測得的滾動摩擦力。因此，滾動摩擦力 基本上是塑性變形力的量度。基本上是塑

59、性變形力的量度。 59 4）粘著效應(yīng)）粘著效應(yīng) 在滾動時，接觸表面的相對運動是法向運動，在滾動時，接觸表面的相對運動是法向運動， 而不是滑動時的切向運動。粘著力主要是弱的范德而不是滑動時的切向運動。粘著力主要是弱的范德 華力，而強的短程力，例如金屬鍵合力，僅可能在華力，而強的短程力，例如金屬鍵合力，僅可能在 微觀接觸的微觀滑動區(qū)域中產(chǎn)生。如果發(fā)生粘著，微觀接觸的微觀滑動區(qū)域中產(chǎn)生。如果發(fā)生粘著， 將在滾動接觸的后沿分離這種分離是拉斷而不是將在滾動接觸的后沿分離這種分離是拉斷而不是 剪斷。通常，滾動摩擦中粘著引起的摩擦阻力只占剪斷。通常，滾動摩擦中粘著引起的摩擦阻力只占 滾動摩擦阻力很小的一部分

60、。滾動摩擦阻力很小的一部分。 一般，在高壓強度下，滾動摩擦阻力主要由表一般，在高壓強度下，滾動摩擦阻力主要由表 面下的塑性變形產(chǎn)生；而在低應(yīng)力強度下，滾動摩面下的塑性變形產(chǎn)生；而在低應(yīng)力強度下，滾動摩 擦阻力由材料本身的滯后損耗產(chǎn)生。擦阻力由材料本身的滯后損耗產(chǎn)生。 60 (2)(2)滾動摩擦系數(shù)滾動摩擦系數(shù) 有量綱的滾動摩擦系數(shù)有量綱的滾動摩擦系數(shù)k k是根是根 據(jù)一圓柱體在平面上純滾動，物體分別受垂直和水據(jù)一圓柱體在平面上純滾動，物體分別受垂直和水 平載荷平載荷F FN N和和F F的作用。由于接觸處的彈性變形，在接的作用。由于接觸處的彈性變形，在接 觸面上的壓力強度呈不對稱分布，其合力向