第3章机械零件的疲劳强度..ppt

第3章机械零件的疲劳强度,3-1疲劳断裂的特征,3-2疲劳曲线和极限应力图,3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素,3-4稳定变应力下机械零件的疲劳强度,3-5规律性非稳定变应力的疲劳强度,第3章机械零件的疲劳强度,主要内容:疲劳断裂的特征必须掌握材料的疲劳曲线以及极限应力图计算稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度,3-1疲劳断裂的特征,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,失效过程：零件在变应力作用下由制造或材料等内部缺陷引起的微观裂纹随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展，面积减小，应力增加当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂,截面情况：分成三个区粗糙区光滑区疲劳源,表面光滑,表面粗糙,潘存云教授研制,疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低,疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂,疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果,不管脆性材料或塑性材料，,疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。,疲劳断裂具有以下特征：,断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙,疲劳断裂与静力断裂的比较：,疲劳断裂静力断裂应力：断口：次数：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、sN疲劳曲线,用参数max表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：sN疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限B。,在AB段，应力循环次数103max变化很小，可以近似看作为静应力强度。,BC段，N=103104，随着Nmax,疲劳现象明显。,因N较小，特称为,低周疲劳。,3-2疲劳曲线和极限应力图,潘存云教授研制,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和r。,max,N,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,实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。,可用下式描述,于是有,104,103,CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为,式中，sr、N0及m的值由材料试验确定。,试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力（maxr），则无论循环多少次，材料都不会破坏。,CD区间有限疲劳寿命阶段,D点之后无限疲劳寿命阶段,潘存云教授研制,N=1/4,104,103,材料的极限应力在同一应力循环次数N，与循环特征r的关系称为极限应力图。其表达：（ma）,简化曲线之一,简化曲线之二,二、极限应力图（ma）,实际应用时常有两种简化方法。,潘存云教授研制,简化极限应力线图：,已知A(0，-1)B(0/2，0/2)两点坐标，求得AD直线的方程为,AD直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。,对称循环m=0,脉动循环m=a=0/2,说明DS直线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。,DS直线上任意点N的坐标为（m，a）,由三角形中两条直角边相等可求得DS直线的方程为,潘存云教授研制,O,而正好落在AGC折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。,公式中的参数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,当应力点落在OAGC以外时，一定会发生疲劳破坏。,当循环应力参数（m，a）落在OAGC以内时，表示不会发生疲劳破坏。,3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素,一、应力集中：有效应力集中系数几何形状决定的理论系数（图3-9）q敏感系数（图3-10）铸铁：(q=0）定性：跟材料、形状有关跟材料对应力的集中敏感系数程度有关二、尺寸影响：尺寸系数（查图3-11,3-12）大小不同，则微裂纹就不一样；三、表面状态表面状态系数（查图3-13）,其中：k有效应力集中系数；,表面质量系数；,尺寸系数；,综合影响系数：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,钢材的表面质量系数,潘存云教授研制,3-4稳定变应力下机械零件的疲劳强度,一、零件的极限应力图（许用极限应力图）,定义弯曲疲劳极限的综合影响系数,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,零件的对称循环弯曲疲劳极限为-1e,设材料的对称循环弯曲疲劳极限为-1,且总有-1e-1,潘存云教授研制,直线A的方程为,直线C的方程为,ae零件所受极限应力幅；,me零件所受极限平均应力；,ye零件受弯曲的材料特性；,弯曲疲劳极限的综合影响系数反映了应力集中、尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。,方程式表示：,潘存云教授研制,对于切应力同样有如下方程,其中系数k、与k、q相对应。,作业214、15、16、17（选作）,二、强度判别分析（安全系数）,强调两点：,1.加载方式：1）r=C2)m=C3)min=C,2.强度校核时，,计算安全系数：一般用求,因为（定）,潘存云教授研制,三、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,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。,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线AGC上的某一个点M或N所代表的应力(m，a)。,M或N的位置确定与循环应力变化规律有关。,应力比为常数r=C,可能发生的应力变化规律,平均应力为常数m=C,最小应力为常数min=C,计算安全系数及疲劳强度条件为,潘存云教授研制,-1,G,-1e,(1)r=常数,通过联立直线OM和AG的方程可求解M1点的坐标为,作射线OM，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的应力比。M1为极限应力点，其坐标值me，ae之和就是对应于M点的极限应力max。,S,也是一个常数。,潘存云教授研制,计算安全系数及疲劳强度条件为,N点的极限应力点N1位于直线CG上，,有,强度计算公式为,凡是工作应力点落在OGC区域内，在循环特性r=常数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行静强度计算。,潘存云教授研制,(2)m=常数,此时需要在AG上确定M2，使得m=m,显然M2在过M点且与纵轴平行的直线上，该线上任意一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。,通过联立直线MM2和AG的方程可求解M2点的坐标为,计算安全系数及疲劳强度条件为,潘存云教授研制,潘存云教授研制,同理，对应于N点的极限应力为N2点。,由于落在了直线CG上，故只要进行静强度计算。,计算公式为,(3)min=常数,此时需要在AG上确定M3，使得min=min,因为min=m-a=C,过M点作45直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力。M3位置如图。,潘存云教授研制,在OAD区域内，最小应力均为负值，在实际机器中极少出现，故不予讨论。,通过O、G两点分别作45直线，,得OAD、ODGI、GCI三个区域。,而在GCI区域内，极限应力统为屈服极限。按静强度处理：,只有在ODGI区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。,通过联立直线MM2和AG的方程可求解M2点的坐标值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为,潘存云教授研制,规律性不稳定变应力,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，,不稳定变应力,规律性,非规律性,用统计方法进行疲劳强度计算,