第3章影響機械零件疲勞強度的因素

1、西南交通大學電子講義1第第3章章 影響機械零件疲勞強度的因素影響機械零件疲勞強度的因素第3章 疲勞強度影響因素 2概述概述q材料的疲勞極限和材料的疲勞極限和S-N曲線只能代表標準光滑試樣的疲勞性曲線只能代表標準光滑試樣的疲勞性能能,實際零件的尺寸、形狀和表面狀況各式各樣，與標準試實際零件的尺寸、形狀和表面狀況各式各樣，與標準試件差別很大。件差別很大。q影響機械零件疲勞強度的因素很多，其中最主要的是形狀、影響機械零件疲勞強度的因素很多，其中最主要的是形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、復合應力、加載頻率、應力波尺寸、表面狀況、平均應力、復合應力、加載頻率、應力波形、停歇、腐蝕介質(zhì)和溫度等。形、停歇、

2、腐蝕介質(zhì)和溫度等。q本章主要介紹形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、加載頻率、本章主要介紹形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、加載頻率、應力波形與停歇對疲勞強度的影響。應力波形與停歇對疲勞強度的影響。第3章 疲勞強度影響因素 33.1 形狀因素形狀因素q應力集中應力集中v結(jié)構(gòu)受力時，其截面突變的地方（如臺階、開孔、榫槽等）結(jié)構(gòu)受力時，其截面突變的地方（如臺階、開孔、榫槽等）會出現(xiàn)局部應力增大的現(xiàn)象，稱為應力集中。會出現(xiàn)局部應力增大的現(xiàn)象，稱為應力集中。v應力集中對靜強度的影響應力集中對靜強度的影響與材料性質(zhì)有關(guān)。對脆性材料影響較大，對塑性材料影響小。 塑性材料在破壞前有一個宏觀的塑性變形過程，使零件上

3、的應力重新分配，自動趨于均勻化。因此應力集中對塑性材料的靜強度影響小。v應力集中對疲勞強度的影響應力集中對疲勞強度的影響疲勞破壞事故和試驗表明，疲勞源總是出現(xiàn)在應力集中的地方，應力集中使結(jié)構(gòu)的疲勞強度降低。疲勞破壞時截面上的名義應力未達到屈服極限，而局部應力高導致屈服，使疲勞強度降低，為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。疲勞設(shè)計必須考慮應力集中的影響。一一. 理論應力集中系數(shù)理論應力集中系數(shù)q應力集中使零件的局部應力提高，在缺口或其他應力集中處的局部應力應力集中使零件的局部應力提高，在缺口或其他應力集中處的局部應力與名義應力的比值，稱為理論應力集中系數(shù)。與名義應力的比值，稱為理論應力集中系數(shù)。v 理論應力集中系

4、數(shù)表示在靜載荷的作用下，構(gòu)件局部應力的嚴重程度。理論應力集中系數(shù)表示在靜載荷的作用下，構(gòu)件局部應力的嚴重程度。v 用用Kt來表示。來表示。v 一般情況下一般情況下Kt值可由手冊上的圖表查得。值可由手冊上的圖表查得。v Kt值與構(gòu)件的幾何形狀有關(guān)，又稱為形狀系數(shù)。值與構(gòu)件的幾何形狀有關(guān)，又稱為形狀系數(shù)。tnWP名義應力即平均應力義應力。為有應力集中截面的名部應力；為應力集中處的最大局式中，ntnttK二二. 有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù)q無應力集中試樣的疲勞極限與和其凈截面尺寸及終加工方法相同的有應無應力集中試樣的疲勞極限與和其凈截面尺寸及終加工方法相同的有應力集中試樣的疲勞極限之比，叫做有

5、效應力集中系數(shù)。力集中試樣的疲勞極限之比，叫做有效應力集中系數(shù)。 可以表示為可以表示為:v 有效應力集中系數(shù)主要用來表征應力集中對疲勞強度的降低作用有效應力集中系數(shù)主要用來表征應力集中對疲勞強度的降低作用v 由于有缺口，使局部應力提高的倍數(shù)為由于有缺口，使局部應力提高的倍數(shù)為Kt，使疲勞強度降低的倍數(shù)為，使疲勞強度降低的倍數(shù)為Kf。 國外，通常把有效應力集中系數(shù)稱為疲勞缺口系數(shù)，并常用Kf統(tǒng)一表示正應力和切應力下的疲勞缺口系數(shù)。v 有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù)(Kf)的其他叫法：疲勞缺口系數(shù)、疲勞強度降低系數(shù)的其他叫法：疲勞缺口系數(shù)、疲勞強度降低系數(shù)。KKKKKfff對于剪切應力，對于拉伸

6、應力，有缺口試件的疲勞極限光滑試件的疲勞極限111q確定有效應力集中系數(shù)Kf的方法v 疲勞試驗法。根據(jù)Kf的定義直接進行疲勞試驗，得到相關(guān)的曲線（只適用于一定的形狀和材料）v 影響系數(shù)法。根據(jù)零件的材料、形狀等影響因素，分別計算影響系數(shù)，再按下面的經(jīng)驗公式計算（日本常用該方法）：v 敏感系數(shù)法。世界通用的方法。利用理論應力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口敏感系數(shù)q來計算疲勞缺口系數(shù)。（比較重要的公式）v 其他方法。如應力梯度法、L/G法、斷裂力學法等。（目前還不成熟）有關(guān)；、缺口半徑它與材料性能為疲勞缺口敏感系數(shù)，為理論應力集中系數(shù)；式中，rqKKqKbttf)43() 1(1)33(154321fKq

7、敏感系數(shù)q的確定v 敏感系數(shù)q是材料對應力集中敏感性的一種程度,q=01,由(3-4),得)53(11tfKKqv q=1，此時Kf=Kt，表示材料對應力集中非常敏感。塑性較差的高強度鋼接近于1；v q=0，Kf=1,材料對應力集中沒有反應。如，鑄鐵。（鑄鐵內(nèi)含大量的石墨雜質(zhì)，相當于很尖銳的裂紋，其影響幾乎完全掩蓋了應力集中的影響）v q值與材料強度極限b有關(guān)，若b增大，則q增大；若晶粒度與材料性質(zhì)不均勻，則q減??；q值還與缺口曲率半徑有關(guān)，r減小，q增大。v q值的確定方法有多種，工程上有許多計算公式和曲線。v 常用的確定q值的方法 諾伯公式（Neuber）（機械工程手冊推薦） 彼特遜公式（

8、Peterson）（英國疲勞設(shè)計準則推薦） 常見材料的敏感系數(shù)q的統(tǒng)計數(shù)值（表3-1）（略）諾伯公式（諾伯公式（Neuber）式中，r為缺口半徑； A為參數(shù)，從圖3-2查出rAq/11q值也可以直接從圖3-3查出彼特遜公式（彼特遜公式（Peterson）raqraq/6 . 011/11趙少卞和王忠保公式趙少卞和王忠保公式q趙少卞和王忠保等人用趙少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等鋼材對疲等鋼材對疲勞缺口系數(shù)進行了系統(tǒng)的實驗研究，提出的計算疲勞缺口系數(shù)的簡單的單參數(shù)計勞缺口系數(shù)進行了系統(tǒng)的實驗研究，提出的計算疲勞缺口系數(shù)的簡單的單參數(shù)計算公式：算公式：

9、)83(88. 0btAQKKv 式中，式中，A，b為與熱處理方式有關(guān)的常數(shù)；為與熱處理方式有關(guān)的常數(shù)；Q為相對應力梯度。為相對應力梯度。熱處理方式熱處理方式Ab正火鋼0.4320.279熱軋鋼0.3360.345淬火后回火0.2900.152不同熱處理方式的不同熱處理方式的A,bA,b值值相對應力梯度相對應力梯度Q Q值按表值按表3-23-2計算計算第3章 疲勞強度影響因素 113.2 尺寸效應尺寸效應 零件或試樣的尺寸增大，則疲勞強度降低，這種疲勞強度隨尺寸增大而降低零件或試樣的尺寸增大，則疲勞強度降低，這種疲勞強度隨尺寸增大而降低的現(xiàn)象稱為尺寸效應。的現(xiàn)象稱為尺寸效應。q尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)

10、v 尺寸尺寸系數(shù)系數(shù)定義為：當應力集中與終加工情況相同時，尺寸為定義為：當應力集中與終加工情況相同時，尺寸為d的大試樣或零的大試樣或零件的疲勞極限與標準直徑的試樣的疲勞極限之比。即：件的疲勞極限與標準直徑的試樣的疲勞極限之比。即：1111dd對稱扭轉(zhuǎn)對稱彎曲無缺口光滑大試樣對稱彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞極限標準尺寸試樣對稱彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞極限標準試樣直徑d0=610mm。中低強度鋼d0取9.5mm；高強度鋼d0取7.5mm或6mmq尺寸效應機制（尺寸效應機制（目前還不完善目前還不完善）v 工藝因素工藝因素 大型零件的鑄造質(zhì)量比小型零件差，大零件缺陷比小零件多； 大截面零件的鍛造比或壓延比都比小零件小； 大型

11、零件熱處理冷卻速度比小零件慢，淬透深度小； 大型零件加工時的切削力、切削熱與小零件不同； 大型零件的材質(zhì)比小型零件差。 以上因素，使大型零件的疲勞強度降低。v 比例因素比例因素 應力梯度。零件上應力分布不均勻，外層應力大，導致外層位移大，內(nèi)層晶粒阻止外層位移。在相同外載荷下，大試樣的應力梯度小，名義應力低；小試樣則相反。 統(tǒng)計因素。零件尺寸越大，出現(xiàn)薄弱晶粒和大缺陷的概率越大。q尺寸效應的影響（尺寸效應的影響（實驗結(jié)論，無理論證明實驗結(jié)論，無理論證明）v 尺寸效應與加載方式有關(guān)。尺寸效應與加載方式有關(guān)。v 鋼的強度越高，尺寸效應越大。鋼的強度越高，尺寸效應越大。v 合金鋼的尺寸效應比碳鋼小，合

12、金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。合金鋼的尺寸效應比碳鋼小，合金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。v 鑄鋼的尺寸敏感性比鍛鋼大。鑄鋼的尺寸敏感性比鍛鋼大。q尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)的確定（的確定（目前主要采用實驗曲線來確定目前主要采用實驗曲線來確定）鍛鋼疲勞極限的尺寸系數(shù)光滑軸的彎曲尺寸系數(shù)第3章 疲勞強度影響因素 143.3 表面加工的影響表面加工的影響q表面狀態(tài)對疲勞強度有較大影響。裂紋常常從零件表面開始（最大應力一般發(fā)生在表面、表面上的缺陷一般最多）q影響機制v 表面狀態(tài)主要指：表層組織結(jié)構(gòu)、表面應力狀態(tài)、粗糙度。q表面切削加工影響（表3-4）v 表面層塑性變形 應變硬化程度。（疲勞極限隨硬化程度的增加而提高）

13、應變硬化層厚度。（厚度未超過彈塑性變形區(qū)厚度時，厚度與疲勞極限成正比；若超過，則無影響） 應變硬化引起的殘余應力。（殘余壓應力提高彎曲疲勞極限，殘余拉應力降低拉伸疲勞極限）v 表面層溫度 通過三方面影響疲勞極限：殘余應力、時效程度、軟化程度。v 表面粗糙度 粗糙度增加，疲勞極限降低。（刀痕深度、切削刀痕銳度增加，疲勞極限降低）q切削用量的影響v 影響因素主要有：切削速度、進給量和切削深度。 增加切削速度可使冷作硬化層厚度減小，增加進給量和切削深度使硬化層厚度增大。（對硬化程度及殘余應力的影響類似） 增加切削速度和進給量會使表面溫度降低，而增加切削深度則提高表面溫度。降低表面溫度可以減小殘余應力

14、、減小時效程度及軟化程度；溫度升高則相反。 切削速度的增加可以改善表面粗糙度，切削深度和進給量的增加將惡化粗糙度。切削用量具體的影響規(guī)律見表3-5q表面加工系數(shù)曲線v 零件的表面狀況和環(huán)境對疲勞強度的影響用表面系數(shù)表示。表面系數(shù)分為三種： 表面加工系數(shù)1 、腐蝕系數(shù)2、表面強化系數(shù)3。v表面加工系數(shù)表面加工系數(shù)1 定義：具有某種加工表面的標準光滑試樣與磨光（拋光）標準光滑試樣的疲定義：具有某種加工表面的標準光滑試樣與磨光（拋光）標準光滑試樣的疲勞極限之比勞極限之比 圖表。加工方法對疲勞強度的影響是三種因素共同作用的結(jié)果，很難分別考圖表。加工方法對疲勞強度的影響是三種因素共同作用的結(jié)果，很難分別

15、考慮各自的影響，一般根據(jù)實驗用圖表來表示。慮各自的影響，一般根據(jù)實驗用圖表來表示。l 不同循環(huán)次數(shù)N下的1-sb關(guān)系曲線l 不同循環(huán)次數(shù)N下的1- ss /sb關(guān)系曲線l 不同加工方法下的1-sb關(guān)系曲線 計算公式計算公式l 彎曲與拉壓l 扭轉(zhuǎn)v表面加工系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)的關(guān)系（表面加工系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)的關(guān)系（對對3-4式的修正式的修正）)113(1111)123(1bba)133(4 . 06 . 011為疲勞缺口敏感系數(shù)疲勞缺口系數(shù)；為理論應力集中系數(shù)；式中，qKKKqKfttf)143() 1(111扭轉(zhuǎn)交變應力下的表面加工系數(shù)a,b最終加工方法系數(shù)，與加工方法、循環(huán)次數(shù)有關(guān)不同循環(huán)次

16、數(shù)不同循環(huán)次數(shù)N下的下的1-sb關(guān)系曲線關(guān)系曲線不同循環(huán)次數(shù)不同循環(huán)次數(shù)N下的下的1- ss /sb關(guān)系曲線關(guān)系曲線不同加工方法下的不同加工方法下的1-sb關(guān)系曲線關(guān)系曲線第3章 疲勞強度影響因素 203.4 平均應力的影響平均應力的影響q平均應力對疲勞強度影響的一般概念平均應力對疲勞強度影響的一般概念v 決定零件疲勞強度的是應力幅。決定零件疲勞強度的是應力幅。v 平均應力對疲勞強度的影響是第二位的，但仍有重要作用。平均應力對疲勞強度的影響是第二位的，但仍有重要作用。v 一般情況，拉伸平均應力使極限應力幅減??；壓縮平均應力使極限一般情況，拉伸平均應力使極限應力幅減?。粔嚎s平均應力使極限應力幅增

17、大。應力幅增大。v 平均應力對正應力的影響比切應力要大。平均應力對正應力的影響比切應力要大。q極限應力線圖極限應力線圖v 極限應力線圖用來表示平均應力對疲勞強度的影響極限應力線圖用來表示平均應力對疲勞強度的影響v 在疲勞設(shè)計中，常用平均應力折算系數(shù)將平均應力折算為等效應力在疲勞設(shè)計中，常用平均應力折算系數(shù)將平均應力折算為等效應力幅幅v 常用的極限應力線圖有三種常用的極限應力線圖有三種 史密斯圖 海夫圖 等壽命圖史密斯（史密斯（Smith）圖）圖q以最大應力以最大應力max和最小應力和最小應力min為縱為縱坐標，以平均應力坐標，以平均應力m為橫坐標的極限為橫坐標的極限應力線圖，叫史密斯圖。也叫應

18、力線圖，叫史密斯圖。也叫max（ min）-m圖。圖。v ADC線為最大應力線；線為最大應力線；v BEC線為最小應力線；線為最小應力線；v ADC線與線與BEC線所包圍的面積表示不線所包圍的面積表示不產(chǎn)生疲勞破壞的應力水平；產(chǎn)生疲勞破壞的應力水平；v ADC線與線與BEC線外區(qū)域表示要產(chǎn)生疲線外區(qū)域表示要產(chǎn)生疲勞破壞的應力水平；勞破壞的應力水平；v A點為對稱疲勞極限點為對稱疲勞極限-1；v D點表示脈動疲勞極限點表示脈動疲勞極限0；v C點表示強度極限點表示強度極限b。海夫（海夫（Haigh）圖）圖q以應力幅以應力幅a為縱坐標、平均應為縱坐標、平均應力力m為橫坐標的極限應力圖稱為橫坐標的極

19、限應力圖稱為海夫圖。為海夫圖。v A點點m =0， a =OA= -1為為對稱循環(huán)疲勞極限；對稱循環(huán)疲勞極限；v B點點a =0， m =OB= b為為靜強度極限；靜強度極限；v C點點m = a ， 為脈動循環(huán)疲勞極限的一半；為脈動循環(huán)疲勞極限的一半；v AC連線斜率的絕對值即為平均連線斜率的絕對值即為平均應力折算系數(shù)應力折算系數(shù)v 海夫圖比史密斯圖醒目，使用更海夫圖比史密斯圖醒目，使用更廣泛。廣泛。020maxminmamamRRRma11)(5 . 0)(5 . 0tanminmaxminmax等壽命圖等壽命圖q表示相同壽命時不同表示相同壽命時不同應力比下的疲勞極限應力比下的疲勞極限間關(guān)

20、系的線圖都是等間關(guān)系的線圖都是等壽命圖。即給定壽命壽命圖。即給定壽命下下a、 m 、 max 、 min 間關(guān)系間關(guān)系的一族曲線。的一族曲線。v 圖中射線表示應力圖中射線表示應力比比R= max/ min例3-1已知a=400Mpa， m =400MPa。求max 、 min 、R和壽命N。例3-2已知光滑試樣R=-1， a=600MPa。求壽命N。q拉伸平均應力的影響拉伸平均應力的影響v 極限應力線（許多學者提出了極限應力線（許多學者提出了多種極限應力線）多種極限應力線） 1874年的戈倍爾拋物線 1899年的古德曼直線 1935年的索德貝爾格直線 1950年的謝聯(lián)先折線 莫羅直線)173(

21、)/(1 21bma)183()/1 (1bma)193()/1 (1sma)203()1)(2/(0)203()0101aRaRmama時時)213()/1 (1fma。時的平均應力折算系數(shù)。平均應力折算系數(shù)；真斷裂強度；屈服極限；強度極限；材料疲勞極限；極限應力幅；平均應力；各計算公式中01Rfsbam勞極限。脈動循環(huán)下的材料疲式中，）（算公式平均應力折算系數(shù)的計000001)223()2/()223(/2babv上述上述5種極限應力線的種極限應力線的關(guān)系關(guān)系 索德貝爾格直線對大多數(shù)金屬材料偏于保守。 戈倍爾拋物線適用于塑性材料，但非線性，使用麻煩，一般不用。 古德曼直線適用于脆性材料，對

22、延性材料偏于保守。 謝聯(lián)先折線與試驗數(shù)據(jù)比較符合，比古德曼直線精確，缺點是要知道脈動循環(huán)下的疲勞極限值。 莫羅直線也與試驗數(shù)據(jù)比較符合，比古德曼直線精確，在疲勞設(shè)計中使用較多。v東北工學院的試驗結(jié)果東北工學院的試驗結(jié)果 對于Kt=1的光滑試樣，試驗數(shù)據(jù)比較符合謝聯(lián)先直線； 對于Kt=2和Kt=3的缺口試樣，試驗數(shù)據(jù)比較符合古德曼直線（需用缺口試樣的強度極限sbk代替光滑試樣的強度極限sb）。 如果近似取bk = f(真斷裂應力) ，則試驗數(shù)據(jù)符合莫羅直線。 平均應力折算（3-24）（3-27）第3章 疲勞強度影響因素 273.5 載荷持續(xù)情況的影響載荷持續(xù)情況的影響q加載頻率的影響加載頻率的影

23、響（鋼、銅、鋁及其他高熔點金屬（鋼、銅、鋁及其他高熔點金屬試驗）試驗）v 頻率在頻率在2007000c/min(3.3120Hz)范圍范圍內(nèi)，頻率變化對疲勞強度不產(chǎn)生影響。內(nèi)，頻率變化對疲勞強度不產(chǎn)生影響。v 頻率在頻率在1000Hz時，頻率變化對疲勞極限影時，頻率變化對疲勞極限影響不大；頻率高于響不大；頻率高于1000Hz后，疲勞極限稍有后，疲勞極限稍有增加；到增加；到10000Hz時達到極大值，之后逐漸降時達到極大值，之后逐漸降低。低。v 總結(jié)現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，可以把加載頻率分為三總結(jié)現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，可以把加載頻率分為三種范圍：種范圍： 正常頻率（5300Hz），低頻（0.15Hz），高頻（30010000Hz）v 在大氣條件下、試驗溫度小于在大氣條件下、試驗溫度小于50度時，加載頻率的影響如下：度時，加載頻率的影響如下： 在正常