CH機(jī)械零件強(qiáng)實(shí)用

會計學(xué)1CH機(jī)械零件強(qiáng)實(shí)用3-1材料的疲勞特性一、交變應(yīng)力的描述變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力（周期）穩(wěn)定不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力簡單復(fù)合對稱脈動非對稱隨機(jī)變應(yīng)力（非周期）周期時間ta）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力周期tb）不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力尖峰應(yīng)力c）隨機(jī)變應(yīng)力第1頁/共26頁3-1材料的疲勞特性一、交變應(yīng)力的描述sm─平均應(yīng)力sa─應(yīng)力幅值smax─最大應(yīng)力smin─最小應(yīng)力r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨(dú)立的。第2頁/共26頁3-1材料的疲勞特性r=-1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力典型常見的變應(yīng)力類型一、交變應(yīng)力的描述轉(zhuǎn)軸單向轉(zhuǎn)軸受載梁等第3頁/共26頁3-1材料的疲勞特性二、

s－N疲勞曲線第4頁/共26頁疲勞曲線

機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在s－N曲線的CD段，可用下式描述：

D點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)其方程為：

由于ND很大，所以在作疲勞試驗(yàn)時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限srN的關(guān)系為：二、

s－N疲勞曲線3-1材料的疲勞特性第5頁/共26頁極限應(yīng)力線圖3-1材料的疲勞特性三、等壽命疲勞曲線（極限應(yīng)力線圖）

機(jī)械零件材料的疲勞特性除用s－N曲線表示外，還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達(dá)了不同應(yīng)力比時疲勞極限的特性。在工程應(yīng)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。第6頁/共26頁極限應(yīng)力線圖3-1材料的疲勞特性三、等壽命疲勞曲線（極限應(yīng)力線圖）用A'Ｇ'C折線表示零件材料的極限應(yīng)力線圖是其中一種近似方法。A'Ｇ'直線的方程為：CＧ'直線的方程為：

yσ為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，其值由試驗(yàn)及下式?jīng)Q定：對于碳鋼，yσ≈0.1~0.2，對于合金鋼，yσ≈0.2~0.3。第7頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算13-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算

由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。

對稱循環(huán)時，如以彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)Ｋσ表示材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1與零件對稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1e的比值，即

在不對稱循環(huán)時，Ｋσ是試件與零件極限應(yīng)力幅的比值。零件材料的極限應(yīng)力線：

A′G′C零件的極限應(yīng)力線：直線ADG和CG

部分詳細(xì)介紹第8頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算2一、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算進(jìn)行零件疲勞強(qiáng)度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應(yīng)力σm與應(yīng)力幅σa，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn)M或N。相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線上的某一個點(diǎn)所代表的應(yīng)力。計算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為：3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算MN第9頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算2一、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算

根據(jù)零件工作時所受的約束來確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點(diǎn)來表示極限應(yīng)力。機(jī)械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：

應(yīng)力比為常數(shù)：r=C

平均應(yīng)力為常數(shù)：σm=C

最小應(yīng)力為常數(shù)：σmin=C詳細(xì)分析3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第10頁/共26頁a） r=C：變應(yīng)力的循環(huán)特性保持不變（例如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)）；Fr0tr=C0tm=Cm=CGFb）m=C：變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變（例如振動著的受載彈簧中的應(yīng)力狀態(tài)）；c）min=C：變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變（例如緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向變載時的應(yīng)力狀態(tài)）。P=0～a0tmin=Cmin第11頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算3二、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算用統(tǒng)計方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算不穩(wěn)定變應(yīng)力非規(guī)律性規(guī)律性按損傷累積假說進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算汽車鋼板彈簧機(jī)床主軸第12頁/共26頁規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算3二、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算若應(yīng)力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的作用，則應(yīng)力σ1每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的σ1對材料的損傷率即為n1/N1。如此類推，循環(huán)了n2次的σ2對材料的損傷率即為n2/N2，……。當(dāng)損傷率達(dá)到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對應(yīng)于極限狀況有：3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第13頁/共26頁二、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算疲勞損傷線性累積假說的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫成：其中

實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)各作用力的應(yīng)力幅無巨大差別或強(qiáng)烈過載時，這個規(guī)律正確；當(dāng)各級作用力先作用最大，然后依次降低時，等號右邊小于1；當(dāng)各級作用力先作用最小，然后依次升高時，等號右邊大于1；大量試驗(yàn)證明：

與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)，說明遞升的作用力不易破壞，遞減的作用力容易產(chǎn)生破壞第14頁/共26頁二、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第15頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算4三、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算

當(dāng)零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力sa和ta時，由實(shí)驗(yàn)得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：式中ta′及sa′為同時作用的切向及法向應(yīng)力幅的極限值。若作用于零件上的應(yīng)力幅sa及ta如圖中M點(diǎn)表示，則由于此工作應(yīng)力點(diǎn)在極限以內(nèi)，未達(dá)到極限條件，因而是安全的。

由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€AM'B上任何一個點(diǎn)即代表一對極限應(yīng)力σa′及τa′。詳細(xì)推導(dǎo)計算安全系數(shù)：3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第16頁/共26頁機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算5四、提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施

在綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟(jì)性后，采用具有高疲勞強(qiáng)度的材料，并配以適當(dāng)?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強(qiáng)化處理。

適當(dāng)提高零件的表面質(zhì)量，特別是提高有應(yīng)力集中部位的表面加工質(zhì)量，必要時表面作適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)處理。

盡可能降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強(qiáng)度的首要措施。

盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。減載槽

在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處，可采用減載槽來降低應(yīng)力集中的作用。3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第17頁/共26頁機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度3-3機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度

在工程實(shí)際中，往往會發(fā)生工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時所發(fā)生的突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。

對于高強(qiáng)度材料，一方面是它的強(qiáng)度高（即許用應(yīng)力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴(kuò)展的能力要隨著強(qiáng)度的增高而下降。因此，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論計算高強(qiáng)度材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，就存在一定的危險性。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。第18頁/共26頁機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度3-3機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度為了度量含裂紋結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度，在斷裂力學(xué)中運(yùn)用了應(yīng)力強(qiáng)度因子KI（或KⅡ、KⅢ）和斷裂韌度KIC(或KⅡC、KⅢC）這兩個新的度量指標(biāo)來判別結(jié)構(gòu)安全性，即：KI＜KIC時，裂紋不會失穩(wěn)擴(kuò)展。KI≥KIC時，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

斷裂力學(xué)——是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度和變形規(guī)律的學(xué)科。第19頁/共26頁機(jī)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度3-4機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，用σH表示。接觸應(yīng)力變形與應(yīng)力分布第20頁/共26頁機(jī)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度3-4機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。

式中ρ1和ρ2

分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,其中正號用于外接觸，負(fù)號用于內(nèi)接觸。對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計算。第21頁/共26頁總結(jié)1、在解決變應(yīng)力下零件的強(qiáng)度問題叫疲勞強(qiáng)度。零件里通常作用的都是變應(yīng)力，所以其應(yīng)用更為廣泛。2、疲勞強(qiáng)度和哪些因素有關(guān)=f（N，r，K，材料，形式）疲勞強(qiáng)度比靜強(qiáng)度復(fù)雜得多。3．三大理論一假說：疲勞曲線——解決對稱循環(huán)變應(yīng)力的強(qiáng)度計算問題；極限應(yīng)力圖——對稱非對稱的關(guān)系；復(fù)合極限應(yīng)力圖——復(fù)合和簡單應(yīng)力的關(guān)系；損傷累積法則——穩(wěn)定和非穩(wěn)定應(yīng)力的關(guān)系；第22頁/共26頁4．強(qiáng)度計算式變應(yīng)力穩(wěn)定不穩(wěn)定簡單復(fù)合第23頁/共26頁一、選擇題1．45鋼的持久疲勞極限-1=270Mpa，設(shè)疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N0=5×106次，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=104次時，有限壽命疲勞極限為

MPa。（A）539；（B）135；（C）175；（D）417；2．零件表面經(jīng)淬火、滲氮、噴丸、滾子碾壓等處理后，其疲勞強(qiáng)度

。（A）增高（B）降低（C）不變（D）增高或降低視處理方法而定3．影響零件疲勞強(qiáng)度的綜合影響系數(shù)K與

等因素有關(guān)。（A）零件的應(yīng)力集中、加工方法、過載；（B）零件的應(yīng)力循環(huán)特性、應(yīng)力集中、加載狀態(tài)；（C）零件的表面狀態(tài)、絕對尺寸、應(yīng)力集中；（D）零件的材料、熱處理方法、絕對尺寸。習(xí)題AAC第24頁/共26頁4、機(jī)械零件的強(qiáng)度條件可以寫成

。（A），或，（B），或，（C）