2.1-第三章 機械零件的疲勞強度ppt課件

1、3.0 緒論3.1 疲勞裂紋特征3.2 疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖3.3 影響機械零件疲勞強度的主要因素3.4 許用疲勞極限應(yīng)力圖3.5 穩(wěn)定變應(yīng)力時的安全系數(shù)計算第三章 機械零件的疲勞強度 兩種計算方法： A 平安壽命設(shè)計 在規(guī)定的工作時間內(nèi)，不允許零件出現(xiàn)疲勞裂紋，一旦出現(xiàn)即為失效?？砂碞曲線進行有限壽命和疲勞壽命疲勞計算，這也是本章介紹的計算方法。 B 破壞安全設(shè)計 允許零件存在裂紋并緩慢擴展，但須保證在規(guī)定的工作周期內(nèi)，仍能安全可靠地工作?？砂雌诹鸭y壽命計算。3.1 3.1 疲勞裂紋特征疲勞裂紋特征 在變應(yīng)力工作下的零件，疲勞斷裂是最主在變應(yīng)力工作下的零件，疲勞斷裂是最主要的失效形式之

2、一。零件的疲勞斷裂占零件斷裂要的失效形式之一。零件的疲勞斷裂占零件斷裂的的80%80%。 疲勞斷裂截面疲勞斷裂截面表面光滑的疲勞發(fā)展區(qū)表面光滑的疲勞發(fā)展區(qū)+ +粗粗糙的脆性斷裂區(qū)。糙的脆性斷裂區(qū)。 見書中圖見書中圖3.13.1和表和表3.13.1。lgNLgrNN0有限壽命區(qū)103(104)無限壽命區(qū)低周循環(huán)高周循環(huán)ABr3.2 3.2 疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖3.2.1 3.2.1 疲勞曲線疲勞曲線 （NN或或NN曲線）曲線）圖3.2 疲勞曲線v v 疲勞極限疲勞極限在循環(huán)特性在循環(huán)特性r r 下的變應(yīng)力，經(jīng)過下的變應(yīng)力，經(jīng)過N N次循環(huán)后，次循環(huán)后，資料資料 v 不

3、發(fā)生破壞的應(yīng)力的最大值。不發(fā)生破壞的應(yīng)力的最大值。v v v 表示方法為：表示方法為：v 疲勞曲線疲勞曲線表示循環(huán)次數(shù)表示循環(huán)次數(shù)N NrNrN或或rNrN之間的變化關(guān)系之間的變化關(guān)系的曲線。的曲線。 N0N0循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)v有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)N N0N N0） 低周循環(huán)疲勞區(qū)低周循環(huán)疲勞區(qū)0N103(104) 0N103(104) 疲勞極疲勞極限接近屈限接近屈 服極限服極限, ,幾乎與幾乎與N N無關(guān)。無關(guān)。 高周循環(huán)疲勞區(qū)高周循環(huán)疲勞區(qū)103(104)N103(104)N，疲勞極限，疲勞極限隨循環(huán)次隨循環(huán)次 數(shù)的增加而降低。數(shù)的增加而降低。無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)NN0NN0） 疲勞極限與

4、疲勞極限與N N無關(guān)，呈直線變化。所謂無關(guān)，呈直線變化。所謂“無限無限壽命是指零件承受的變應(yīng)力水平低于或等于壽命是指零件承受的變應(yīng)力水平低于或等于材料的疲勞極限材料的疲勞極限r(nóng)r，工作應(yīng)力總循環(huán)次數(shù)可，工作應(yīng)力總循環(huán)次數(shù)可大于循環(huán)基數(shù)大于循環(huán)基數(shù)N0,N0,并不是說永遠不會產(chǎn)生破壞。并不是說永遠不會產(chǎn)生破壞。 不同應(yīng)力變化時的循環(huán)疲勞極限表示為：有限壽命區(qū)： rN ，rN 無限壽命區(qū)：r,r；0、0，-1、-1103104）NN0范圍的變化曲線方程為疲勞方程 即 CNNrmrNmrmrNmcNN00rNrNrNrmNNrNkk0v說明：說明：、式中，、式中，為隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而變化的冪指數(shù)，鋼

5、受彎曲、拉伸、剪為隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而變化的冪指數(shù)，鋼受彎曲、拉伸、剪切應(yīng)力時，鋼線接觸時，青銅彎曲應(yīng)力時，接觸應(yīng)力時切應(yīng)力時，鋼線接觸時，青銅彎曲應(yīng)力時，接觸應(yīng)力時。 為壽命系數(shù)，為壽命系數(shù)，rrNNNmlglglglg0圖圖3.3 3.3 疲勞曲線的指數(shù)疲勞曲線的指數(shù)m m LgrNN0rrNNlgNm1 LgrN104107lgN0r3=0.5r2=0r1=-1v2.循環(huán)基數(shù) 據(jù)材料性質(zhì)不同取值也不同。通常金屬的取為107，隨著材料的硬度，。具體劃分見書P38。有色金屬及高強度合金鋼的疲勞曲線沒有無限壽命區(qū)。 v. 不同循環(huán)特性時的疲勞曲線如圖所示，rN、（r）v 圖圖3.4 3.4 不同

6、不同r r時的疲勞曲線時的疲勞曲線 .疲勞極限應(yīng)力圖 疲勞極限應(yīng)力圖表明材料在相同循環(huán)次數(shù)和不同循環(huán)特性下的不同疲勞極限。用以以應(yīng)力大小來判斷零件工作的安全區(qū)域和失效區(qū)域。由實驗得出。S(s,0)F(B,0)安 全 區(qū)A(0,-1)E塑性失效區(qū)0疲 勞 失 效 區(qū)2,200Bam圖3.8 塑性材料簡化疲勞極限應(yīng)力圖 圖中各狀態(tài)點說明： 點對稱循環(huán)疲勞極限點，-1） B點脈動循環(huán)疲勞極限點 F點靜強度極限點B，0） S點屈服極限點S，0） 以上的拋物線圖為實驗所得的塑性材料疲勞極限應(yīng)力圖，折線為塑性材料簡化的疲勞極限應(yīng)力圖，由圖可知：零件的工作狀態(tài)點應(yīng)處于安全區(qū)折線ABES以內(nèi)），且距離ABES

7、折線越遠，工作應(yīng)更安全。3.3 影響機械零件疲勞強度的主要因素3、3、1 應(yīng)力集中的影響，影響系數(shù)為k k 考慮零件幾何形狀的理論應(yīng)力集中系數(shù) q考慮材料應(yīng)力集中感受程度的敏感系數(shù)) 1(1) 1(1qkqk, 3、3、2 尺寸的影響，影響系數(shù)為 ， 3、3、3 表面狀態(tài)的影響，影響系數(shù)為 綜合影響系數(shù) 計算時： 1、零件的工作應(yīng)力幅綜合影響系數(shù)對平均應(yīng)力影響很?。?。 2、零件的極限應(yīng)力幅綜合影響系數(shù),)(kkDkkD)(3.4許用疲勞極限應(yīng)力圖3.4.1 穩(wěn)定變應(yīng)力和非穩(wěn)定變應(yīng)力 穩(wěn)定變應(yīng)力每次循環(huán)中，m，a和周期T都不隨時間t而變化的變應(yīng)力。 非穩(wěn)定變變應(yīng)力每次循環(huán)中只要m，a和T其中之一

8、隨時間t而變化的應(yīng)力 它分為兩種： （1周期性非穩(wěn)定變應(yīng)力由于載荷或工作轉(zhuǎn)速的變化作周期性規(guī)律變化的變應(yīng)力 （2隨機性非穩(wěn)定變應(yīng)力由于載荷或工作轉(zhuǎn)速的變化作非周期性規(guī)律變化的應(yīng)力3.4.2 許用疲勞極限應(yīng)力圖 在簡化疲勞極限應(yīng)力線圖的基礎(chǔ)上考慮綜合影響系數(shù)kD （ kD和壽命系數(shù) kN 影響后而得到的。 說明： 綜合影響系數(shù)kD （ kD只對極限應(yīng)力幅a有影響，而壽命系數(shù)KN同時對極限應(yīng)力幅和平均應(yīng)力有影響。 許用疲勞極限應(yīng)力圖許用疲勞極限應(yīng)力圖 簡化疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線屈服極限曲線S(S ,0)135),()( 2200DNNkkkB)2,2(00BamC,1, 0AamC,Ema)

9、, 0()(1DNKkA 圖中： A點,A點分別為對稱循環(huán)變應(yīng)力下疲勞極限點和許用疲勞極限點 B點和B點分別為脈動循環(huán)變應(yīng)力下疲勞極限點和許用疲勞極限點 E點和E點分別為簡化疲勞極限曲線與屈服極限曲線的交點以及許用疲勞極限曲線與屈服極限曲線的交點 S點屈服極限點3.4.3 工作應(yīng)力增長規(guī)律 三種規(guī)律： 1r=常數(shù),例如轉(zhuǎn)軸既承受彎距又承受轉(zhuǎn)距的彎曲變應(yīng)力簡單加載 2m =常數(shù) （如振動中的受載彈簧中應(yīng)力狀態(tài)）復(fù)雜加載 3min =常數(shù)如緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向變載荷時的應(yīng)力狀態(tài)）復(fù)雜加載 三種規(guī)律是根據(jù)零件載荷變化規(guī)律以及零件與相鄰零件的互相約束情況的不同而分析的可能的三種規(guī)律。amamSBAC

10、osCcAr=r=常數(shù)常數(shù) b) m=b) m=常數(shù)常數(shù)三種工作應(yīng)力增長規(guī)律三種工作應(yīng)力增長規(guī)律 mac)min=c)min=常數(shù)常數(shù)a a 三種工作應(yīng)力增長規(guī)律三種工作應(yīng)力增長規(guī)律 C A C min S ma3.5 穩(wěn)定變應(yīng)力時的安全系數(shù)計算S，Sa，S，Sa） S，Sa機械零件疲勞強度最大正應(yīng)力安全系數(shù)和正應(yīng) 力幅安全系數(shù) S，Sa機械零件疲勞強度最大剪應(yīng)力安全系數(shù)和剪應(yīng) 力幅安全系數(shù)3.5.1單向應(yīng)力狀態(tài)時的安全系數(shù)r=常數(shù)時的機械零件單向加載） 由此式可知：欲使r=常數(shù)，則a，m應(yīng)按同一比例增長。常數(shù)mamaamamr11maxminr=r=常數(shù)時安全系數(shù)計算簡圖常數(shù)時安全系數(shù)計算簡

11、圖 疲 勞 安 全 區(qū) 塑 性 安 全 區(qū) 01)(kkN S(s,0) L M H O E B A 00)(2kkN amC,amc1cmaG20Nk1c由圖可知： C 和 C1分別為疲勞安全和塑性安全區(qū)的工作點 C和C1分別為與C和C相對應(yīng)的應(yīng)力單向增長極限點1. 幾何法求安全系數(shù) 由圖中可知工作點C： =m + a 極限點C lim=m+a=OCCOHCOHCGOGSamamOCCOHCCGSaaa 由此可知: ，計算時選擇任一種方法即可。 例如： 工作點C安全系數(shù)的計算如下： 注意其中=s s 為屈服強度極限，說明此時只需進行靜強度計算。 S和Sa 的求解方法和以上相同。aSS1111

12、11OCOCMCLCOMOLMCOMLCOLSSmaSa2. 解析法求安全系數(shù) 工作點C的安全系數(shù)求解： 公式中a 由應(yīng)力狀態(tài)決定是已知量，而a必須求出。通過求解AB點AC點兩點直線方程而得到： aaaSmDNadDkkk)(1)(10012)2(0210tgamaDNNNDNkkkDkkkk100122對于切應(yīng)力，同理得： 式中： ，平均應(yīng)力折合為應(yīng)斬幅的等效系數(shù)，其大小表示材料對循環(huán)不對稱性的敏感程度。例如：碳鋼=0.10.2，合金鋼=0.20.3，所以材料強度，則。mDDNakkk)(1)(10012返回將和的關(guān)系分別代入上兩式得應(yīng)力幅如下：按應(yīng)力幅求安全系數(shù)如下：aammammaamD

13、Nakk)(1amDNakk)(1 aaeNmaaDNaaaSkkkS11)( aaenmaDNaaaSkkkS11)(maaek)(maDaek)(其中： 和ae是由非對稱循環(huán)應(yīng)力折算成的當(dāng)量對稱循環(huán)變應(yīng)力。 對塑性材料，當(dāng)工作點位于塑性安全區(qū)，則應(yīng)驗算屈服強度安全系數(shù) 圖解法和解析法的特點比較：前者計算簡單，且能根據(jù)工作點所處的位置直接判斷區(qū)域性質(zhì)；后者計算精確，但常不能直接判斷工作點所在的工作區(qū)域，因此為安全計疲勞強度和屈服強度安全系數(shù)都應(yīng)計算。 SSmas SSmaSae 以上是應(yīng)力增長規(guī)律r=常數(shù)時的安全系數(shù)計算，其余兩種規(guī)律下的m、m =常數(shù)和min、min=常數(shù)時的疲勞安全系數(shù)計

14、算和塑性材料屈服強度安全系數(shù)計算見書P49表3.3。3.5.2 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)時安全系數(shù)(雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算)1.塑性材料(在對稱循環(huán)彎扭復(fù)合應(yīng)力作用下) 靜應(yīng)力強度 變應(yīng)力強度 其中 的取值為第三、第四強度理論 分別為 SsTssb222)( SkkkNaDaD122112)()()(11211311復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下工作的零件其強度計算：復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下工作的零件其強度計算： 對塑性材料的零件應(yīng)按第三或第四強度理論確定強度準(zhǔn)對塑性材料的零件應(yīng)按第三或第四強度理論確定強度準(zhǔn)則。則。 第四強度理論適用于拉、切應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力，其強度準(zhǔn)第四強度理論適用于拉、切應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力，其強度準(zhǔn)則：則：

15、第三強度理論適用于彎、扭復(fù)合應(yīng)力，其強度準(zhǔn)則：第三強度理論適用于彎、扭復(fù)合應(yīng)力，其強度準(zhǔn)則： 上述兩種強度準(zhǔn)則用安全系數(shù)表達式為：上述兩種強度準(zhǔn)則用安全系數(shù)表達式為： 2213T 224TW ssssss22v對于脆性材料的零件，應(yīng)按第一強度理論確定強度準(zhǔn)則，即： 22421TWW ssTwWb2242v（1） 疲勞強度安全系數(shù)有關(guān)公式化） SSSSSSSkkkkkkkkkSNaDNaDNNaDaN22222122112121122121111)()1()(其中其中,1aDNakkSS aDNakkSS1（2屈服強度安全系數(shù) 第四強度理論第三強度理論sSSSss2max2max2max2max

16、342.低塑性和脆性材料的安全系數(shù) 非對稱循環(huán)可以折算成對稱循環(huán)即在公式中單向應(yīng)力安全系數(shù)以非對稱循環(huán)時計算仍用上述公式計算。靜應(yīng)力下： （1單向應(yīng)力安全系數(shù) （2復(fù)合應(yīng)力安全系數(shù) SSSSSS SSlim SSlim22SSSSS許用安全系數(shù)的薦用值：材質(zhì)均勻性工藝質(zhì)量載荷計算好好精確1.3-1.4中等中等不夠精確1.4-1.7差一般精確性差1.7-1.3 S S 提高機械零件疲勞強度的措施提高機械零件疲勞強度的措施 1. 1. 盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響主要措施：主要措施： (1)(1)增大過渡圓角半徑增大過渡圓角半徑r r。 (2)(2)同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。 2.2.選用疲勞強度高的材料和規(guī)定能夠提高材料疲勞強度的熱處理方選用疲勞強度高的材料和規(guī)定能夠提高材料疲勞強度的熱處理方法及強化工藝。法及強化工藝。 3.3.提高零件的表面質(zhì)量提高零件的表面質(zhì)量 如處