机械设计疲劳强度经典精ppt课件

第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2零件的疲劳强度计算,交变应力举例,定义：随时间作周期性变化的应力,称为交变应力。,实例1齿轮在啮合过程中，力F迅速由零增加至最大值，然后减小至零。试观察齿根某一点A的弯曲正应力变化情况。,实例2由于电动机的重力作用产生静弯曲变形,由于工作时离心惯性力的垂直分量随时间作周期性变化,梁产生交变应力.,实例3火车轮轴上的力来自车箱.大小,方向基本不变.即弯矩基本不变.,横截面上A点到中性轴的距离却是随时间t变化的.,假设轴以匀角速度转动.,A的弯曲正应力为,随时间t按正弦曲线变化,交变应力产生的原因,1、变载荷，载荷做周期性变化；,2、静载荷，但零件点的位置随时间做周期性的变化。,sm平均应力sa应力幅值,smax最大应力smin最小应力,r应力比（循环特性）,描述规律性的交变应力有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。,smax=？smin=？,交变应力的基本参数,特例1、对称循环,在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号。,min=-max或min=-max,三个特例,若非对称循环交变应力中的最小应力等于零（min）,时的交变应力,称为非对称循环交变应力.,特例2、脉动循环,构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即max=min。若将静应力视作交变应力的一种特例，则其循环特征,O,t,特例3、静应力,交变应力的三个特例,疲劳破坏机理,金属在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。,晶粒滑移微观裂纹扩展有效面积下降突然断裂,（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度极限值，有时甚至远低于材料的屈服极限；,（2）无论是脆性还是塑性材料，交变应力作用下均表现为脆性断裂，断裂前没有明显征兆，无明显塑性变形；,（3）裂纹的扩展时断时续，断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分。,疲劳破坏的特点,因此，疲劳破坏极易造成严重事故。据统计，机械零件尤其是高速运转零部件的破坏，大部分属于疲劳破坏。,材料的疲劳强度测试（r=-1）,在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限技术上较简单.将材料加工成最小直径为710mm,表面磨光的试件,每组试验包括10根左右的试件.,材料疲劳曲线（图3-1）,当N曲线趋于水平时，相应的最大应力值max称为材料的疲劳极限或持久极限，用r表示，如-1。,r=-1,r=0？,零件在交变应力下所能承受的极限应力一般用应力最大值来表示，但有时也用应力幅值表示。,材料疲劳曲线,机械零件的疲劳大多发生在CD段，可用下式描述：,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，其方程为：,有限寿命疲劳极限：,疲劳曲线,材料的疲劳特性,无限寿命疲劳极限：,由于ND很大，作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用rNo来近似代替r，于是有：,有限寿命区间内循环次数N时的疲劳极限srN为：,式中：KN为寿命系数；m为材料常数；r查表。,疲劳曲线,寿命系数的物理含义：表现了应力循环次数对疲劳寿命的影响，是有限寿命疲劳强度相对于无限寿命疲劳强度的增大程度，通常大于1。,由N曲线可以看出：表示材料的疲劳强度与其静强度有所不同。表示静强度只用强度极限即可；而对材料的疲劳强度而言，需指明在指定的r值下，还要同时说明max及对应的破坏循环次数N。即，只有同时用三个物理量（r,N,max）才能描述材料的疲劳强度。,例p362：45（调制）的弯曲疲劳强度-1=275MPa表示？,屈服强度S=355MPa,影响零件疲劳极限的因素,一、零件外形的影响若构件上有螺纹,键槽,键肩等,其持久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低。其影响程度用有效应力集中系数表示,首先区分一组概念：构件，零件，试件。试件：较小且光滑（光滑小试件）,弯曲时的有效应力集中系数,扭转时的有效应力集中系数,二、零件尺寸的影响,大试件的持久极限比小试件的持久极限要低,尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸系数表示,右边表格给出了在弯、扭的对称应力循环时的尺寸系数.,三、零件表面状态的影响,实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响,这是因为不同的加工精度在表面上造成不同程度的应力集中.,若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理,其持久极限也就得到提高.,表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表示,综合考虑上述三种影响因素，零件在r=-1下的持久极限为,为有效应力集中系数，,为尺寸系数，,为表面光滑小试件的持久极限（r=-1）,如果循环应力为剪应力,将上述公式中的s换为t即可。,为表面状态系数,为综合影响系数,通常1,令,则,其中：,综合影响系数的引入,零件的疲劳强度计算,安全系数当r=-1时当r为一般值时,疲劳试验复杂且没有必要，如何转化？,第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2零件的疲劳强度计算,对任一循环，由a和m便可在坐标系中确定一个对应点P,把该点的纵横坐标相加,就是该点所代表的应力循环的max即,作射线OP，斜率为,极限应力线图,说明：循环特征值相同的所有应力循环都在从原点出发的同一射线上。,离原点越远，纵横坐标之和越大，应力循环的max也越大。,所以在每一条由原点出发的射线上，都有一个由持久极限r确定的临界点(如OP上的P)。,将这些点联成曲线即为持久极限曲线。,r=-1时,r=0时,r=+1时,区域内区域外,疲劳试验耗时耗力，简化方法：由对称循环，脉动循环和静载荷，取得A,C,B三点。,用折线ACB代替原曲线，偏于安全。,折线AC部分的倾角为,斜率为,直线AC上的点都与持久极限r相对应,将这些点的坐标记为rm和ra于是AC的方程可写为（由斜率和截距）,s,O,B,H,I,J,C,F,K,G,P,E,A,L,m,m,a,a,EK：疲劳极限KJ：屈服极限,材料的与零件的极限应力线图,A直线的方程为：,C直线的方程为：,y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。,材料的极限应力线图,图3-3教材24页,A:对称循环极限应力点D:脉动循环极限应力点C:屈服极限应力点,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,将零件材料的极限应力线图中的直线ADG按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。,零件的极限应力线图,AG：疲劳极限CG：屈服极限,图3-4教材25页,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的max及min确定平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。,根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,与工作应力点相对应的极限应力点在？,零件疲劳强度计算（单向稳定变应力）,AG：疲劳极限CG：屈服极限,(1)应力比r=C（单向稳定变应力）,由两直线方程得交点x=?,y=?x+y=?,1）当r=-1时2）当r为一般值时,因此，欲求某一r值下的非对称循环下零件的疲劳强度，不必知道此r下零件的持久极限，而只需知道材料在r=-1时的持久极限及折算系数即可计算其疲劳强度。,(2)应力均值=C（单向稳定变应力）,(3)应力最小值=C（单向稳定变应力）,规律性不稳定变应力,机械零件的疲劳强度计算3,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力1每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。,当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,零件疲劳强度计算（单向不稳定变应力）,机械零件的疲劳强度计算4,当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：,式中ta及sa为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。,若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线AMB上任何一个点即代表一对极限应力a及a。,计算安全系数：,零件疲劳强度计算（双向稳定变应力）,在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。,适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。,尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。,尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,减载槽,在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。,提高疲劳强度的措施,本章小结,极限应力线图零件的疲劳强度计算,在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，这种现象称为低应力脆断。,对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度材料