第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度

1、 （一）載荷和應(yīng)力（一）載荷和應(yīng)力 強(qiáng)度準(zhǔn)則是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的最基本準(zhǔn)則。強(qiáng)度問題分為靜強(qiáng)度準(zhǔn)則是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的最基本準(zhǔn)則。強(qiáng)度問題分為靜應(yīng)力強(qiáng)度和變應(yīng)力強(qiáng)度兩個(gè)范疇。應(yīng)力強(qiáng)度和變應(yīng)力強(qiáng)度兩個(gè)范疇。 1 1、載荷的分類：、載荷的分類： 零件上的載荷通常分為靜載荷和動(dòng)載荷。零件上的載荷通常分為靜載荷和動(dòng)載荷。 靜載荷：是指大小、作用位置和方向不隨時(shí)間變化或變化緩靜載荷：是指大小、作用位置和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷。慢的載荷。 鍋爐壓力等。鍋爐壓力等。 動(dòng)載荷：是指大小、作用位置和方向隨時(shí)間變化的載荷。動(dòng)載荷：是指大小、作用位置和方向隨時(shí)間變化的載荷。 曲軸所受的壓力等。曲軸所受的壓力等。

2、在機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算中：用名義載荷和計(jì)算載荷。在機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算中：用名義載荷和計(jì)算載荷。 名義載荷：指理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。名義載荷：指理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。 計(jì)算載荷：指名義載荷計(jì)算載荷：指名義載荷K K（載荷系數(shù)（載荷系數(shù) 考慮各種附加載考慮各種附加載荷等因素）荷等因素）。k:k:載荷系數(shù)載荷系數(shù),k1 ,k1 由經(jīng)驗(yàn)確定。由經(jīng)驗(yàn)確定。 2 2、應(yīng)力的分類、應(yīng)力的分類 根據(jù)應(yīng)力隨時(shí)間變化的特性不同分為根據(jù)應(yīng)力隨時(shí)間變化的特性不同分為 靜應(yīng)力：靜應(yīng)力：是指不隨時(shí)間變化或變化緩慢是指不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力。的應(yīng)力。- -只能在靜載荷下。只能在靜載荷下。caca

3、limlim/S/S。 變應(yīng)力：變應(yīng)力：是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力，分非是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力，分非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和對(duì)稱循對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。環(huán)變應(yīng)力。- - 可能由變載荷，也可能由靜載可能由變載荷，也可能由靜載荷下。絕大多數(shù)機(jī)械零件都是在變應(yīng)力條件荷下。絕大多數(shù)機(jī)械零件都是在變應(yīng)力條件下工作的。下工作的。tr=-1r=-1tr=0r=0-1r1-1r 350HBS 350的鋼，的鋼，N N0 0 25 2510107 7Nrm0rrNKNN = = =可得循環(huán)次數(shù)可得循環(huán)次數(shù)N N的疲勞極限的疲勞極限表達(dá)式為：表達(dá)式為：用用N N0 0 r r近似代表近似

4、代表rr, ,N ND D 則則任一點(diǎn)的疲勞極限任一點(diǎn)的疲勞極限曲線方程可曲線方程可改寫為：改寫為：CNN0mrmrN= = = = max rN DN r N431010 NBACD拐點(diǎn)：多數(shù)鐵拐點(diǎn)：多數(shù)鐵 碳合金碳合金有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) 式中：式中：K KN N：壽命系數(shù)，：壽命系數(shù)，m0NNNK= = m m ：材料常數(shù)，有試驗(yàn)確定。：材料常數(shù)，有試驗(yàn)確定。 對(duì)鋼材在彎曲和拉壓疲勞時(shí)：對(duì)鋼材在彎曲和拉壓疲勞時(shí)：m=6m=62020，N N0 0=(1=(110)10)10106 6 一般對(duì)尺寸大取大循環(huán)次數(shù)一般對(duì)尺寸大取大循環(huán)次數(shù) CDCD段和段和D D以后的疲勞通

5、常稱為以后的疲勞通常稱為- - 。多數(shù)通用機(jī)械零。多數(shù)通用機(jī)械零件的失效都是由高周疲勞引起的。件的失效都是由高周疲勞引起的。A A點(diǎn)點(diǎn): :對(duì)稱循環(huán)點(diǎn)對(duì)稱循環(huán)點(diǎn)B B點(diǎn)點(diǎn): :脈動(dòng)循環(huán)點(diǎn)脈動(dòng)循環(huán)點(diǎn)C C點(diǎn)點(diǎn): :靜強(qiáng)度極限靜強(qiáng)度極限1malim = = = = 0malim = = = =ma = = Bmalim = = = = 工程上為計(jì)算方便，常將應(yīng)力圖進(jìn)行簡化工程上為計(jì)算方便，常將應(yīng)力圖進(jìn)行簡化ABESABES折線。分為折線。分為三個(gè)區(qū)：疲勞失效區(qū)、塑性失效區(qū)和安全區(qū)。三個(gè)區(qū)：疲勞失效區(qū)、塑性失效區(qū)和安全區(qū)。4504502020SB1amABECCO疲勞失效區(qū)疲勞失效區(qū)塑性失效區(qū)塑性失

6、效區(qū)安全區(qū)安全區(qū) （二）疲勞極限應(yīng)力圖（二）疲勞極限應(yīng)力圖 相同材料，相同材料，r r不同，其疲勞極限也不同，可用疲勞極限應(yīng)力不同，其疲勞極限也不同，可用疲勞極限應(yīng)力圖表示。圖表示。 塑性材料的疲勞極限應(yīng)力圖：塑性材料的疲勞極限應(yīng)力圖： 表面無缺陷的金屬材料時(shí)，其疲勞斷裂過程分為兩個(gè)階段：表面無缺陷的金屬材料時(shí)，其疲勞斷裂過程分為兩個(gè)階段： （1 1）零件表面上應(yīng)力較大處的材料發(fā)生剪切滑移，產(chǎn)生初始）零件表面上應(yīng)力較大處的材料發(fā)生剪切滑移，產(chǎn)生初始裂紋，形成疲勞源。裂紋，形成疲勞源。 （2 2）裂紋尖端在切應(yīng)力下發(fā)生反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展直）裂紋尖端在切應(yīng)力下發(fā)生反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展直至

7、發(fā)生疲勞斷裂。至發(fā)生疲勞斷裂。 實(shí)際上材料內(nèi)部有缺陷，因此，一般零件的疲勞過程是從實(shí)際上材料內(nèi)部有缺陷，因此，一般零件的疲勞過程是從第二階段開始的。第二階段開始的。 變應(yīng)力下：失效形式主要為疲勞斷裂。變應(yīng)力下：失效形式主要為疲勞斷裂。1 1、疲勞斷裂特征、疲勞斷裂特征 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： SSSSlimlim = = = = 有關(guān)不同變應(yīng)力下疲勞強(qiáng)度的計(jì)算方法有關(guān)不同變應(yīng)力下疲勞強(qiáng)度的計(jì)算方法 自學(xué)。自學(xué)。2 2、影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素、影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素 因素很多，應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀況、環(huán)境介質(zhì)、加因素很多，應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀況、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率

8、等。但重要的是應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀況。載順序和頻率等。但重要的是應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀況。 1 1）應(yīng)力集中的影響）應(yīng)力集中的影響 表面突然變化處。表面突然變化處。 2 2）絕對(duì)尺寸的影響）絕對(duì)尺寸的影響 相同條件下，尺寸越大，則疲勞強(qiáng)相同條件下，尺寸越大，則疲勞強(qiáng)度越低。度越低。 3 3）表面狀況的影響）表面狀況的影響 表面粗糙度和表面處理的情況。表面粗糙度和表面處理的情況。 有些結(jié)構(gòu)，按常規(guī)的強(qiáng)度理論來分析時(shí)，工作應(yīng)力有些結(jié)構(gòu)，按常規(guī)的強(qiáng)度理論來分析時(shí)，工作應(yīng)力 需用應(yīng)需用應(yīng)力力( (滿足強(qiáng)度條件滿足強(qiáng)度條件) )，但在實(shí)際使用中，會(huì)突然性斷裂，但在實(shí)際使用中，會(huì)突然性斷裂 稱低

9、應(yīng)稱低應(yīng)力脆斷。力脆斷。 大部分發(fā)生在高強(qiáng)度鋼材的結(jié)構(gòu)或大型的焊接件中。大部分發(fā)生在高強(qiáng)度鋼材的結(jié)構(gòu)或大型的焊接件中。 發(fā)生原因：是結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在以及工作條件的發(fā)生原因：是結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在以及工作條件的多樣化和載荷形式的多樣化等原因。多樣化和載荷形式的多樣化等原因。- - 屬于斷裂力學(xué)研究內(nèi)容。屬于斷裂力學(xué)研究內(nèi)容。 兩零件接觸：共形面接觸兩零件接觸：共形面接觸 兩相互接觸面的幾何形狀相同兩相互接觸面的幾何形狀相同 異形面接觸異形面接觸 線接觸和點(diǎn)接觸。線接觸和點(diǎn)接觸。 接觸應(yīng)力及接觸強(qiáng)度：接觸應(yīng)力及接觸強(qiáng)度： 如果兩個(gè)零件在受載荷前是點(diǎn)接觸或線接觸，當(dāng)受壓后，由如果兩個(gè)零件

10、在受載荷前是點(diǎn)接觸或線接觸，當(dāng)受壓后，由于材料的彈性變形，其接觸后形成一小面積，且表面產(chǎn)生很大的于材料的彈性變形，其接觸后形成一小面積，且表面產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。局部應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時(shí)零件的強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)這時(shí)零件的強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。度。 疲勞點(diǎn)蝕：在變化著的接觸應(yīng)力下，疲勞點(diǎn)蝕：在變化著的接觸應(yīng)力下，由于表面疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。由于表面疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。 接觸強(qiáng)度不夠，零件易疲勞點(diǎn)蝕，當(dāng)發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕后，減接觸強(qiáng)度不夠，零件易疲勞點(diǎn)蝕，當(dāng)發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕后，減少了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力少了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力并引起振動(dòng)和噪聲。并引起振動(dòng)和噪聲。 當(dāng)兩個(gè)軸線平行的圓柱體相當(dāng)兩個(gè)軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時(shí)，其接觸面積為一互接觸并受壓時(shí)，其接觸面積為一狹長矩形，最大接