第3章機械零件的強度ppt課件

1、第三章第三章 機械零件的強度機械零件的強度本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1、概念：疲勞破壞特點），疲勞極限，疲勞強度、概念：疲勞破壞特點），疲勞極限，疲勞強度2、疲勞曲線和極限應(yīng)力圖、疲勞曲線和極限應(yīng)力圖3、掌握材料和零件極限應(yīng)力圖的區(qū)別、掌握材料和零件極限應(yīng)力圖的區(qū)別 4、能夠利用疲勞曲線和極限應(yīng)力圖進行零件的疲勞、能夠利用疲勞曲線和極限應(yīng)力圖進行零件的疲勞 強度計算強度計算 （零件、材料的疲勞強度計算是否相同？）（零件、材料的疲勞強度計算是否相同？）5、了解接觸強度、了解接觸強度2-1 概 述一、疲勞破壞一、疲勞破壞 機械零件在循環(huán)應(yīng)力作用下。即使循環(huán)應(yīng)力的 ，應(yīng)力的每次循環(huán)也仍然會對零件造

2、成輕微的損傷。隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，當損傷累積到一定程度時，在零件的表面或內(nèi)部將出現(xiàn)（萌生裂紋。之后，裂紋又逐漸擴展直到發(fā)生完全斷裂。這種緩慢形成的破壞稱為 “疲勞破壞”。 maxb “疲勞破壞” 是循環(huán)應(yīng)力作用下零件的主要失效形式。 疲勞破壞的特點 a) 疲勞斷裂時：受到的 低于 ，甚至低于 。 b) 斷口通常沒有顯著的塑性變形。不論是脆性材料，還是塑 性材料，均表現(xiàn)為脆性斷裂。更具突然性，更危險。maxbsc疲勞破壞是一個損傷累積的過程，需要時間。壽命可計算。二、材料的疲勞特性二、材料的疲勞特性1、疲勞極限、疲勞極限循環(huán)特性循環(huán)特性r一定時，應(yīng)力循環(huán)一定時，應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲次后

3、，材料不發(fā)生疲勞破壞時勞破壞時的最大應(yīng)力的最大應(yīng)力2、疲勞壽命N： 材料疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 不同或 N 不同時，疲勞極限 則不同。 rNr用用 表示表示rNrNlim在疲勞強度計算中，取在疲勞強度計算中，取 。對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力r = -1、 sm0脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力 r=0、 smin0靜應(yīng)力靜應(yīng)力 r=1對稱循環(huán)對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)常見的循環(huán)應(yīng)力有常見的循環(huán)應(yīng)力有靜應(yīng)力可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特靜應(yīng)力可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）例）描述循環(huán)應(yīng)力：描述循環(huán)應(yīng)力：2minmaxm2minmaxamaxmax最大應(yīng)力；最大應(yīng)力； min min最小應(yīng)力最小應(yīng)力mm平均

4、應(yīng)力；平均應(yīng)力； a a應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值r 應(yīng)力比應(yīng)力循環(huán)特性）maxminr循環(huán)應(yīng)力即即N曲線曲線3、疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性、疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性r一定得條件下，應(yīng)力循環(huán)一定得條件下，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)次數(shù)N與疲勞極限與疲勞極限r(nóng)N之間的關(guān)系曲線之間的關(guān)系曲線maxBCDNND104103N0AB段：靜應(yīng)力區(qū)間，段：靜應(yīng)力區(qū)間，B點對應(yīng)的應(yīng)點對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大約為力循環(huán)次數(shù)大約為10 3；BC段：隨段：隨N的增大，的增大， max 下降，下降，C點所對應(yīng)的點所對應(yīng)的N值大約為值大約為10 4，這時試件斷口發(fā)生塑性變形，這時試件斷口發(fā)生塑性變形，此種破壞稱為應(yīng)變疲勞，或此種破壞稱為應(yīng)變疲勞，或低

5、周疲勞。低周疲勞。CD段：隨段：隨N的增大，的增大，max下降較快，這階段稱為有下降較快，這階段稱為有限壽命階段，也稱為高周疲勞，限壽命階段，也稱為高周疲勞，rN 有限壽命疲勞極限。有限壽命疲勞極限。D點以后：點以后：D點以后的曲線趨于水平，說明隨點以后的曲線趨于水平，說明隨N的增的增多，多， max不再下降，即到無限壽命階段，即不再下降，即到無限壽命階段，即r:持久疲勞極限持久疲勞極限,為為D點疲勞極限點疲勞極限ND:一般工程材料約為一般工程材料約為10 62510 7。CNmrNm與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù) C常數(shù)常數(shù) maxBCDNND104103N0DrrNNN 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)

6、N 0對應(yīng)的疲勞極限對應(yīng)的疲勞極限0rN式中：式中：K N壽命系數(shù)壽命系數(shù)NrmrrNKNN0任意循環(huán)任意循環(huán)N次的有限疲勞極限為：次的有限疲勞極限為：簡寫為簡寫為rmaxBCDNND104103N0替代N DrCNNmrNmr04、材料的極限應(yīng)力圖或等壽命曲線）：描述的、材料的極限應(yīng)力圖或等壽命曲線）：描述的是在一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是在一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N下，疲勞極限的應(yīng)力幅下，疲勞極限的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力的關(guān)系曲線。與平均應(yīng)力的關(guān)系曲線。近似代替線圖形成近似代替線圖形成OAOA G G C C區(qū)域為安全區(qū)區(qū)域為安全區(qū)AGCAGC折線為疲勞極限折線為疲勞極限A點：點：A點描述對稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極

7、限點描述對稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限), 0(1amD點：點：D點描述脈動循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限點描述脈動循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限)2,2(00am橫坐標任一點橫坐標任一點 ，即靜應(yīng)力，即靜應(yīng)力取取C點：點：CG上任一點代表疲勞極限為上任一點代表疲勞極限為 的變應(yīng)力狀況。的變應(yīng)力狀況。sammax0asm5、零件的極限應(yīng)力圖、零件的極限應(yīng)力圖1meaeKmeaes疲勞應(yīng)力時的材料常數(shù)為材料受循環(huán)彎曲零件強化系數(shù)零件表面質(zhì)量系數(shù)零件尺寸系數(shù)零件有效應(yīng)力集中系數(shù)影響系數(shù)為彎曲疲勞極限的綜合0012:111qqkkK三、機械零件的疲勞強度計算三、機械零件的疲勞強度計算（一單向穩(wěn)定變應(yīng)力的機械零件疲勞強度（一單向穩(wěn)定

8、變應(yīng)力的機械零件疲勞強度計算方法：計算方法：求出機械零件危險截面上的最大工作應(yīng)力求出機械零件危險截面上的最大工作應(yīng)力 和最和最小工作應(yīng)力小工作應(yīng)力 據(jù)據(jù) 和和 求求 與與 確定工作點應(yīng)在確定工作點應(yīng)在安全區(qū)）安全區(qū)）強度計算：所用極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線強度計算：所用極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線AGC上上某點所代表的應(yīng)力。某點所代表的應(yīng)力。maxminammaxmin典型應(yīng)力變化規(guī)律：典型應(yīng)力變化規(guī)律： 循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比為常數(shù)，即循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比為常數(shù)，即r=c循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)力為常數(shù)，即循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)力為常數(shù)，即m=c循環(huán)應(yīng)力的最小應(yīng)力為常數(shù)，即循環(huán)應(yīng)力的最小應(yīng)力為常數(shù)，即min=c1 1、變

9、應(yīng)力的循環(huán)特性保持不、變應(yīng)力的循環(huán)特性保持不變變r rC C的情況的情況絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)。絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)。（找應(yīng)力比與零件工作應(yīng)力比（找應(yīng)力比與零件工作應(yīng)力比相同的極限應(yīng)力值，建立強度相同的極限應(yīng)力值，建立強度條件）條件）MM點：點：M1aD DG GmAMC CmaM點的極限應(yīng)力為點的極限應(yīng)力為maxmeaeminmaxminmaxrr11CM1(me、ae)maamK)(1maKmax1計算安全系數(shù)及強度條件計算安全系數(shù)及強度條件cacaSlimN點極限應(yīng)力為點極限應(yīng)力為N1的應(yīng)力值的應(yīng)力值因因N1在在CG上，應(yīng)力為上，應(yīng)力為s所以所以N點的破壞形式為屈服失點的破壞形式為

10、屈服失效，只需進行靜強度計算，效，只需進行靜強度計算，強度條件為：強度條件為：SSmasscacamaxlimmaxmaxSKma1M1N1aD DG GmAMC CN凡工作應(yīng)力在凡工作應(yīng)力在OCGOCG區(qū)，在區(qū)，在r=Cr=C條件下只進行靜條件下只進行靜強度計算。強度計算。2、變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不、變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變變mC的情況的情況M2N2aDGmACMNHO振動著的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)振動著的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)M點的極限應(yīng)力為點的極限應(yīng)力為安全系數(shù)計算值及強度條件安全系數(shù)計算值及強度條件KKKmme)()1 (11maxSKKSmamcaca)()(1maxmaxlimN點由靜強度

11、條件計算：點由靜強度條件計算：SSmasscacamaxlimHGC區(qū)域均按區(qū)域均按靜強度計算靜強度計算3、變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持、變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變（不變（minC情況情況aJGmACMNminMM3N3minN受軸向變載荷螺栓聯(lián)接受軸向變載荷螺栓聯(lián)接的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài) minmaC IAOJ區(qū)：區(qū)： min為負值，不討論為負值，不討論GIC區(qū)：區(qū)： lim= s,按靜應(yīng)力計算按靜應(yīng)力計算SSmasscacamaxlimaJGmACMNM3IKKaememin1max)(2M點的極限應(yīng)力為點的極限應(yīng)力為OJGI區(qū)：極限應(yīng)力在疲勞極限區(qū)：極限應(yīng)力在疲勞極限應(yīng)力曲線應(yīng)力曲線AG上上安全系數(shù)

12、計算值及強度條件安全系數(shù)計算值及強度條件SKKSacaca)()(2minmin1maxmaxlimv 闡明：闡明：v 1 1、難以確定應(yīng)力變化規(guī)律的，采用、難以確定應(yīng)力變化規(guī)律的，采用r=Cr=C計算計算macaKS1）（應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)換應(yīng)力幅的綜合影響系數(shù)工作應(yīng)力幅對稱循環(huán)彎曲疲勞極限maadKS: 2 2、有限壽命疲勞階段，須將公式中的、有限壽命疲勞階段，須將公式中的 換成換成rrN3 3、許用安全系數(shù)、許用安全系數(shù) （1 1疲勞強度許用安全系數(shù)的一般規(guī)定：疲勞強度許用安全系數(shù)的一般規(guī)定： 一般一般S = 1.41.7 S = 1.41.7 a a、計算精度高，實驗數(shù)據(jù)可靠，工藝質(zhì)量材料好

13、，、計算精度高，實驗數(shù)據(jù)可靠，工藝質(zhì)量材料好， S = 1.31.4 S = 1.31.4 b b、計算精度低，材料不均勻，大型零件、鑄件，、計算精度低，材料不均勻，大型零件、鑄件， S = 1.73.0 S = 1.73.0 （2 2靜強度許用安全系數(shù)的一般規(guī)律靜強度許用安全系數(shù)的一般規(guī)律 a a、高塑性鋼，材料均勻性、載荷準確性、計算精確性均屬、高塑性鋼，材料均勻性、載荷準確性、計算精確性均屬 于一般情況，于一般情況，S = 1.52.0 S = 1.52.0 b b、低塑性、高強度鋼，鑄鐵、低塑性、高強度鋼，鑄鐵 S = 39 S = 39 4 4、疲勞強度計算總結(jié)、疲勞強度計算總結(jié)按疲

14、勞強度分析。段，力圖的若極限應(yīng)力落在極限應(yīng)按靜強度分析；段，力圖的若極限應(yīng)力落在極限應(yīng)段，按靜強度分析；疲勞曲線的AGCGNABN,10,1033五、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度五、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度1、非規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力、非規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力變應(yīng)力參數(shù)隨機變的，如汽車鋼板彈簧。變應(yīng)力參數(shù)隨機變的，如汽車鋼板彈簧。根據(jù)大量的試驗求得載荷及應(yīng)力的統(tǒng)計分布規(guī)律，然后根據(jù)大量的試驗求得載荷及應(yīng)力的統(tǒng)計分布規(guī)律，然后用統(tǒng)計疲勞強度的方法來處理。用統(tǒng)計疲勞強度的方法來處理。2、規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力、規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力變應(yīng)力參數(shù)的變化有一個簡單的規(guī)律。變應(yīng)力參數(shù)的變化有一個簡單的規(guī)律。利

15、用疲勞損傷累計假說利用疲勞損傷累計假說Miner法則進行計算。法則進行計算。每一次循環(huán)的損傷率：每一次循環(huán)的損傷率：1Nn次循環(huán)的損傷率：次循環(huán)的損傷率：nN累計損傷率為：累計損傷率為：ziiiNn111ziiiNn各應(yīng)力幅無大的差別各應(yīng)力幅無大的差別及強烈的短時過載及強烈的短時過載應(yīng)力由大到小作用應(yīng)力由大到小作用11ziiiNn應(yīng)力由小到大作用應(yīng)力由小到大作用11ziiiNn累計損傷率累計損傷率100%時，材時，材料發(fā)生疲勞破壞料發(fā)生疲勞破壞2 . 27 . 01ziiiNn試驗證明存在：試驗證明存在：代入疲勞損傷累計公式得：代入疲勞損傷累計公式得：不破壞的條件：不破壞的條件：0NNmrmr

16、N,)(1101mNN,)(2102mNNmmiiNn10令計算應(yīng)力為：令計算應(yīng)力為：mzimiicanN1013N1)(1101221110mzimiimmmNnnnNziiiNn1那么那么1ca安全系數(shù)安全系數(shù)SScaca1v 闡明：闡明：v 對于不對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應(yīng)力，先按對于不對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應(yīng)力，先按v 求等效的對稱循環(huán)變應(yīng)力，然后按上述情況計算。求等效的對稱循環(huán)變應(yīng)力，然后按上述情況計算。maadK七、提高機械零件疲勞強度的措施1、影響零件疲勞強度的因素、影響零件疲勞強度的因素（1零件外形的影響零件外形的影響 由于構(gòu)造和工藝上的要求，許多零件常常帶有溝由于構(gòu)造和工藝上的要求，許

17、多零件常常帶有溝槽、孔眼和臺肩等，這樣，在截面尺寸突變處就會槽、孔眼和臺肩等，這樣，在截面尺寸突變處就會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。 由于零件在應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)微觀裂紋，從而由于零件在應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)微觀裂紋，從而引起疲勞失效。引起疲勞失效。 應(yīng)力集中對疲勞強度降低的影響用有效應(yīng)力集中應(yīng)力集中對疲勞強度降低的影響用有效應(yīng)力集中系數(shù)系數(shù) 表示。表示。)(kk或工程設(shè)計中用：工程設(shè)計中用：3313:13:) 1(1附表表理論應(yīng)力集中系數(shù)，附材料敏性系數(shù)，附圖qqk（2零件尺寸的影響零件尺寸的影響 材料相同但尺寸大小不同的試件，其疲勞極限是材料相同但尺寸大小不同的試件，其疲勞極限是不同的

18、，大尺寸試件的疲勞極限低于小尺寸試件的不同的，大尺寸試件的疲勞極限低于小尺寸試件的疲勞極限。疲勞極限。 因試件或零件的尺寸越大，其內(nèi)部所包含的因試件或零件的尺寸越大，其內(nèi)部所包含的雜質(zhì)、缺陷也相應(yīng)增多，出現(xiàn)裂紋的可能性就越雜質(zhì)、缺陷也相應(yīng)增多，出現(xiàn)裂紋的可能性就越大，疲勞極限將會降低。大，疲勞極限將會降低。 零件尺寸對疲勞強度的影響用尺寸系數(shù)零件尺寸對疲勞強度的影響用尺寸系數(shù) 表示。表示。 附圖附圖3-2和和3-3及附表及附表3-7)(或（3零件表面加工質(zhì)量的影響零件表面加工質(zhì)量的影響 零件表面粗糙度越大，疲勞極限越低。零件表面粗糙度越大，疲勞極限越低。 因零件加工后表面出現(xiàn)的刀紋、傷痕會引起

19、應(yīng)力因零件加工后表面出現(xiàn)的刀紋、傷痕會引起應(yīng)力集中。集中。 零件表面加工質(zhì)量對疲勞強度的影響用零件零件表面加工質(zhì)量對疲勞強度的影響用零件表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù) 表示。表示。 附圖附圖3-4)(或試件零件表面質(zhì)量低于標準試件零件表面質(zhì)量高于標準, 1, 111（4零件表面強化處理的影響零件表面強化處理的影響 對零件表面進行一些強化處理，如化學(xué)熱處理、對零件表面進行一些強化處理，如化學(xué)熱處理、高頻表面淬火、表面硬化加工等，可提高零件疲勞高頻表面淬火、表面硬化加工等，可提高零件疲勞強度。強度。 零件表面強化處理對疲勞強度的影響用零件的零件表面強化處理對疲勞強度的影響用零件的強強化系數(shù)化系數(shù) 表示。表示。 附表附表3-9附表附表3-11。q2、提高機械零件的疲勞強度：、提高機械零件的疲勞強度：盡可能降低應(yīng)力集中；盡可能降低應(yīng)力集中；選用疲勞強度高的材料；選用疲勞強度高的材料；選用能提高疲勞強度的熱處理方法和強化工藝；選用能提高疲勞強度的熱處理方法和強化工藝；提高機械零件表面的質(zhì)量；提高機械零件表面的質(zhì)量；盡可能減小或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋盡可能