機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)疲勞

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)疲勞第1頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第六章疲勞

§6–1交變應(yīng)力與疲勞失效§6–3持久極限§6–2交變應(yīng)力循環(huán)特征、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力§6–4影響持久極限的因素第2頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§6–1

交變應(yīng)力的概念

一、交變應(yīng)力(Alternatingstress)

構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化,這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力.APtσ第3頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、產(chǎn)生的原因例題1一簡(jiǎn)支梁在梁中間部分固接一電動(dòng)機(jī),由于電動(dòng)機(jī)的重力作用產(chǎn)生靜彎曲變形,當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí),由于轉(zhuǎn)子的偏心而引起離心慣性力.由于離心慣性力的垂直分量隨時(shí)間作周期性的變化,梁產(chǎn)生交變應(yīng)力.

1、載荷做周期性變化

2、載荷不變,構(gòu)件點(diǎn)的位置隨時(shí)間做周期性的變化

第4頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜平衡位置ωtt

st

max

min第5頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題2火車輪軸上的力來(lái)自車箱.大小,方向基本不變.即彎矩基本不變.PP橫截面上A點(diǎn)到中性軸的距離卻是隨時(shí)間t變化的.假設(shè)軸以勻角速度

轉(zhuǎn)動(dòng).

tzAA的彎曲正應(yīng)力為

是隨時(shí)間t按正弦曲線變化的t

1

2

3

4

1O第6頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月交變應(yīng)力的疲勞破壞與靜應(yīng)力下的破壞有很大差異,故表征材料抵抗交變應(yīng)力破壞能力的強(qiáng)度指標(biāo)也不同.下圖為交變應(yīng)力下具有代表性的正應(yīng)力—時(shí)間曲線.

三.交變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力第7頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)應(yīng)力循環(huán)(一)、基本參數(shù)應(yīng)力每重復(fù)變化一次,稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)O

t在拉,壓或彎曲交變應(yīng)力下在扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力下

max

min最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值稱為循環(huán)特征.用r表示.1.應(yīng)力循環(huán)2.循環(huán)特征第8頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、應(yīng)力幅(Stressamplitude)

最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的差值的的二分之一,稱為交變應(yīng)力的應(yīng)力幅.用σa

表示O一個(gè)應(yīng)力循環(huán)

t

max

min

a

a4、平均應(yīng)力最大應(yīng)力和最小應(yīng)力代數(shù)和的一半,稱為交變應(yīng)力的平均應(yīng)力.用σm表示.第9頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(二)、交變應(yīng)力的分類1、對(duì)稱循環(huán)在交變應(yīng)力下若最大應(yīng)力與最小應(yīng)力等值而反號(hào).O

max

min

t

min=-

max或

min=-

maxr=-1時(shí)的交變應(yīng)力,稱為對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力.第10頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）若非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力中的最小應(yīng)力等于零（

min）r=0的交變應(yīng)力,稱為脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力

時(shí)的交變應(yīng)力,稱為非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力.O

max

min=0

t2.非對(duì)稱循環(huán)第11頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）r>0為同號(hào)應(yīng)力循環(huán);r<0為異號(hào)應(yīng)力循環(huán).（3）構(gòu)件在靜應(yīng)力下,各點(diǎn)處的應(yīng)力保持恒定，即

max=

min.若將靜應(yīng)力視作交變應(yīng)力的一種特例,則其循環(huán)特征O

max

min=0t

第12頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題3發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭螺釘工作時(shí)最大拉力Pmax=58.3kN,最小拉力Pmin=55.8kN,螺紋內(nèi)徑為d=11.5mm,試求

a、

m和r.解：交變應(yīng)力第13頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§6–2疲勞材料在交變應(yīng)力作用下的破壞習(xí)慣上稱為疲勞破壞（1）交變應(yīng)力的破壞應(yīng)力值一般低于靜載荷作用下的強(qiáng)度極限值,有時(shí)甚至低于材料的屈服極限.

（2）無(wú)論是脆性還是塑性材料,交變應(yīng)力作用下均表現(xiàn)為脆性斷裂,無(wú)明顯塑性變形.（3）斷口表面可明顯區(qū)分為光滑區(qū)與粗糙區(qū)兩部分.1.疲勞破壞的特點(diǎn)第14頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

材料發(fā)生破壞前,應(yīng)力隨時(shí)間變化經(jīng)過(guò)多次重復(fù),其循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān).應(yīng)力愈大,循環(huán)次數(shù)愈少.裂紋緣光滑區(qū)粗糙區(qū)

用手折斷鐵絲,彎折一次一般不斷,但反復(fù)來(lái)回彎折多次后,鐵絲就會(huì)發(fā)生裂斷,這就是材料受交變應(yīng)力作用而破壞的例子.因疲勞破壞是在沒(méi)有明顯征兆的情況下突然發(fā)生的,極易造成嚴(yán)重事故.據(jù)統(tǒng)計(jì),機(jī)械零件,尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的構(gòu)件的破壞,大部分屬于疲勞破壞.第15頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）裂紋萌生在構(gòu)件外形突變或材料內(nèi)部缺陷等部位,都可能產(chǎn)生應(yīng)力集中引起微觀裂紋.分散的微觀裂紋經(jīng)過(guò)集結(jié)溝通,將形成宏觀裂紋.（2）裂紋擴(kuò)展已形成的宏觀

裂紋在交變應(yīng)力下逐漸擴(kuò)展.（3）構(gòu)件斷裂裂紋的擴(kuò)展使構(gòu)件截面逐漸削弱,削弱到一定極限時(shí),構(gòu)件便突然斷裂.2、疲勞過(guò)程一般分三個(gè)階段(Thethreephasesoffatigueprocess)第16頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§6–3持久極限一、材料持久極限(疲勞極限)

循環(huán)應(yīng)力只要不超過(guò)某個(gè)“最大限度”,構(gòu)件就可以經(jīng)歷無(wú)數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞,這個(gè)限度值稱為“疲勞極限”,用

r

表示.二、

－N

曲線（應(yīng)力－壽命曲線）通過(guò)測(cè)定一組承受不同最大應(yīng)力試樣的疲勞壽命,以最大應(yīng)力

max

為縱坐標(biāo),疲勞壽命N為橫坐標(biāo),即可繪出材料在交變應(yīng)力下的應(yīng)力—疲勞壽命曲線,即

－N曲線.第17頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)最大應(yīng)力降低至某一值后,

－N曲線趨一水平,表示材料可經(jīng)歷無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞,相應(yīng)的最大應(yīng)力值

max稱為材料的疲勞極限或耐勞極限.用

r

表示.

max，1

-1

max，2N1N212N

max三、測(cè)定方法(Testmeasures)

將材料加工成最小直徑為7～10mm,表面磨光的試件,每組試驗(yàn)包括6～10根試件.在純彎曲變形下,測(cè)定對(duì)稱循環(huán)的持久極限技術(shù)上較簡(jiǎn)單.對(duì)于鋁合金等有色金屬,σ－N曲線通常沒(méi)有明顯的水平部分,一般規(guī)定疲勞壽命N0=108時(shí)的最大應(yīng)力值為條件疲勞極限,用.N0表示疲勞壽命第18頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月疲勞試驗(yàn)裝置第19頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置第20頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力－壽命曲線(S-N曲線)第21頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩種試驗(yàn)的應(yīng)力－壽命曲線O每一應(yīng)力水平只有一個(gè)試樣的數(shù)據(jù)O每一應(yīng)力水平有一組試樣的數(shù)據(jù)第22頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月S(stress)–N(cyclestofailure)curves.Ferrousand(B)nonferrousmetals;S-1:theendurancelimit.第23頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PPPPaa第二根試件第一根試件N1N2略小于

-1

max，1

max，2N1N212N

maxr表示循環(huán)特征如

-1表示對(duì)稱循環(huán)材料的疲勞極限.Pa第24頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§6-4影響構(gòu)件持久極限的因素

一、構(gòu)件外形的影響

若構(gòu)件上有螺紋,鍵槽,鍵肩等,其持久極限要比同樣尺寸的光滑試件有所降低.其影響程度用有效應(yīng)力集中系數(shù)表示第25頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0.020.040.060.080.100.120.140.160.180MMRdD1.001.201.401.601.802.002.202.402.60圖(a)600700800900第26頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0.020.040.060.080.100.120.140.160.180MMRdD1.201.401.601.802.002.202.402.602.80圖

(b)6007009003.003.20800第27頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MMRdD0.020.040.060.080.100.120.140.160.180圖

(c)8009007006001.201.401.601.802.002.202.402.602.803.003.203.40第28頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RdD8000.020.040.060.080.100.120.140.160.1801.201.401.601.802.002.202.401.00圖

(d)900第29頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0.020.040.060.080.100.120.140.160.180圖(e)RdD1.201.401.601.802.002.202.401.002.602.80800900第30頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、構(gòu)件尺寸的影響

(theeffectofmembersides)大試件的持久極限比小試件的持久極限要低尺寸對(duì)持久極限的影響程度，用尺寸系數(shù)表示光滑大試件的持久極限光滑小試件的持久極限第31頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

右邊表格給出了在彎、扭的對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)時(shí)的尺寸系數(shù).

直徑d(mm)碳鋼合金鋼

各種鋼

>20～30

0.91

0.83

0.89

>30～40

0.88

0.77

0.81

>40～50

0.84

0.73

0.78

>50～60

0.81

0.70

0.76

>60～70

0.78

0.68

0.74

>70～80

0.75

0.66

0.73

>80～100

0.73

0.64

0.72

>100～120

0.70

0.62

0.70

>120～150

0.68

0.60

0.68

>150～500

0.60

0.54

0.60

表1尺寸系數(shù)第32頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、構(gòu)件表面狀態(tài)的影響

(theeffectofmembersurfacestate)

實(shí)際構(gòu)件表面的加工質(zhì)量對(duì)持久極限也有影響,這是因?yàn)椴煌募庸ぞ仍诒砻嫔显斐傻牡逗蹖⒊尸F(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中.若構(gòu)件表面經(jīng)過(guò)淬火、氮化、滲碳等強(qiáng)化處理,其持久極限也就得到提高.表面質(zhì)量對(duì)持久極限的影響用表面狀態(tài)系數(shù)β表示其他加工情況的構(gòu)件的持久極限表面磨光的試件的持久極限第33頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月綜合考慮上述三種影響因素，構(gòu)件在對(duì)稱循環(huán)下的持久極限b為表面狀態(tài)系數(shù)為有效應(yīng)力集中系數(shù)為尺寸系數(shù)為表面磨光的光滑小試件的持久極限如果循環(huán)應(yīng)力為剪應(yīng)力,將上述公式中的正應(yīng)力換為剪應(yīng)力即可.

對(duì)稱循環(huán)下,r=-1.上述各系數(shù)均可查表而得.第34頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的途徑所謂提高疲勞強(qiáng)度，通常是指在不改變構(gòu)件的基本尺寸和材料的前提下，通過(guò)減小應(yīng)力集中和改善表面質(zhì)量，以提高構(gòu)件的疲勞極限。通常有以下一些途徑：

緩和應(yīng)力集中：截面突變處的應(yīng)力集中是產(chǎn)生裂紋以及裂紋擴(kuò)展的重要原因，通過(guò)適當(dāng)加大截面突變處的過(guò)渡圓角以及其它措施，有利于緩和應(yīng)力集中，從而可以明顯地提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。第35頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

提高構(gòu)件表面層質(zhì)量：在應(yīng)力非均勻分布的情形（例如彎曲和扭轉(zhuǎn)）下，疲勞裂紋大都從構(gòu)件表面開始形成和擴(kuò)展。因此，通過(guò)機(jī)械的或化學(xué)的方法對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，改善表面層質(zhì)量，將使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有明顯的提高。第36頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面熱處理和化學(xué)處理（例如表面高頻淬火、滲碳、滲氮和氰化