CH機械零件強實用

會計學1CH機械零件強實用3-1材料的疲勞特性一、交變應力的描述變應力循環(huán)變應力（周期）穩(wěn)定不穩(wěn)定循環(huán)變應力簡單復合對稱脈動非對稱隨機變應力（非周期）周期時間ta）穩(wěn)定循環(huán)變應力周期tb）不穩(wěn)定循環(huán)變應力尖峰應力c）隨機變應力第1頁/共26頁3-1材料的疲勞特性一、交變應力的描述sm─平均應力sa─應力幅值smax─最大應力smin─最小應力r─應力比（循環(huán)特性）描述規(guī)律性的交變應力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。第2頁/共26頁3-1材料的疲勞特性r=-1對稱循環(huán)應力r=0脈動循環(huán)應力r=1靜應力典型常見的變應力類型一、交變應力的描述轉軸單向轉軸受載梁等第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)間內循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限srN的關系為：二、

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

機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。該曲線表達了不同應力比時疲勞極限的特性。在工程應用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。第6頁/共26頁極限應力線圖3-1材料的疲勞特性三、等壽命疲勞曲線（極限應力線圖）用A'Ｇ'C折線表示零件材料的極限應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)彎曲應力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?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頁機械零件的疲勞強度計算13-2機械零件的疲勞強度計算

由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質量及強化因素等的影響，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力幅的比值。零件材料的極限應力線：

A′G′C零件的極限應力線：直線ADG和CG

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

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

應力比為常數(shù)：r=C

平均應力為常數(shù)：σm=C

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

實驗證明：當各作用力的應力幅無巨大差別或強烈過載時，這個規(guī)律正確；當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；大量試驗證明：

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

當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應力sa和ta時，由實驗得出的極限應力關系式為：式中ta′及sa′為同時作用的切向及法向應力幅的極限值。若作用于零件上的應力幅sa及ta如圖中M點表示，則由于此工作應力點在極限以內，未達到極限條件，因而是安全的。

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

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

適當提高零件的表面質量，特別是提高有應力集中部位的表面加工質量，必要時表面作適當?shù)姆雷o處理。

盡可能降低零件上的應力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。

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

在不可避免地要產生較大應力集中的結構處，可采用減載槽來降低應力集中的作用。3-2機械零件的疲勞強度計算第17頁/共26頁機械零件的抗斷裂強度3-3機械零件的抗斷裂強度

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

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

結構內部裂紋和缺陷的存在是導致低應力斷裂的內在原因。第18頁/共26頁機械零件的抗斷裂強度3-3機械零件的抗斷裂強度為了度量含裂紋結構體的強度，在斷裂力學中運用了應力強度因子KI（或KⅡ、KⅢ）和斷裂韌度KIC(或KⅡC、KⅢC）這兩個新的度量指標來判別結構安全性，即：KI＜KIC時，裂紋不會失穩(wěn)擴展。KI≥KIC時，裂紋失穩(wěn)擴展。

斷裂力學——是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結構或構件的強度和變形規(guī)律的學科。第19頁/共26頁機機械零件的接觸強度3-4機械零件的接觸強度

當兩零件以點、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應力。這局部的應力稱為接觸應力，用σH表示。接觸應力變形與應力分布第20頁/共26頁機機械零件的接觸強度3-4機械零件的接觸強度

接觸應力是不同于以往所學過的擠壓應力的。擠壓應力是面接觸引起的應力，是二向應力狀態(tài)，而接觸應力是三向應力狀態(tài)。接觸應力的特點是：僅在局部很小的區(qū)域內產生很大的應力。

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，負號用于內接觸。對于線接觸的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。第21頁/共26頁總結1、在解決變應力下零件的強度問題叫疲勞強度。零件里通常作用的都是變應力，所以其應用更為廣泛。2、疲勞強度和哪些因素有關=f（N，r，K，材料，形式）疲勞強度比靜強度復雜得多。3．三大理論一假說：疲勞曲線——解決對稱循環(huán)變應力的強度計算問題；極限應力圖——對稱非對稱的關系；復合極限應力圖——復合和簡單應力的關系；損傷累積法則——穩(wěn)定和非穩(wěn)定應力的關系；第22頁/共26頁4．強度計算式變應力穩(wěn)定不穩(wěn)定簡單復合第23頁/共26頁一、選擇題1．45鋼的持久疲勞極限-1=270Mpa，設疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，應力循環(huán)基數(shù)N0=5×106次，當實際應力循環(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．影響零件疲勞強度的綜合影響系數(shù)K與

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

。（A），或，（B），或，（C）