机械零件的强度

1、沈 阳 工 业大 学 备课用 纸第三章机械零件的强度1强度问题：静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。2疲劳破坏定义： 金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。3疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不 断扩展，直至零件发生突然断裂。4疲劳破坏的特征：1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；2）即使是塑性材料，在没有明显的

2、塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。3）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。4）疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。§ 3-1材料的疲劳特性一、应力的分类1、静应力：大小和方向均不随时间改变，或者变化缓慢。2、变应力：大小或方向随时间而变化。1 ）稳定循环变应力：以下各参数不随时间变化的变应力。m平均应力; a应力幅值max最大应力； min最小应力r 描述规律性的交变应力可有 5个参数， 但其中只有两个参数是独立的。r = -1对称循环应力r=0 脉动循环应力r=1静应力2）非稳定循环变应力：参数随时间变化的变应力。（1）规律性非稳定变应力：参数按一定规律周期

3、性变化的称为。（2）随机变应力：随机变化的。二、疲劳曲线1、 -N曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限（最大应力）与循环次数N之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示：.I大多数零件失咼周疲劳区以有限寿命区（LC点右侧区域，称高周疲劳区N>104为两个区:D） : N <N，循环次数N,对应的极限应力曲线可分为ABBC CD D右四个区域。其中:AB区最大应力N变化不大，可按静应力考虑。疲劳极限。BC:为低周疲劳（循环次数少） 区。N<104。也 称应变疲劳（疲 劳破坏伴随塑 性变形）M-材料常数No-循环基数曲线:方程为mN N_DCNW N%=107N疲劳曲线Kn-寿命系数

4、 图中，曲线上 任意一点的 横纵坐标之 和为最大应 力。代表应力 比为一定值 的疲劳极限。无限寿命区：NA N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。当材料受到的应力不超过时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。即寿命是无限的。疲劳极限（ 1/ 0/1）因为 mN N rm No C所以rN mN0 r Kn r N2、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）定义：循环次数一定时，应力幅与平均应力间的关系曲线。理论疲劳曲线：经过试验得二次曲线如下图。即在曲线a m max r （寿命为循环基数 No）在曲线内为无限寿命。曲线外为有限寿命。A，G线一一疲劳强度线。其上的点表示疲劳极限应

5、力由A、G两点坐标可得A G线直线方程2其中10（试件受循环弯曲应力时的材料常数）0碳钢 0.10.2合金钢 0.2 0.3CG线一一屈服强度线。其上的点表示屈服极限由C点坐标和直线斜角可得 CG，线方程§ 3-2机械零件的疲劳强度计算A，G，上任意点坐 标。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。在不对称循环时，K为试件与零件极限应力幅 的比值。、零件的极限应力线图引入 K厅一弯曲疲劳极限的综合影响系数将材料的极限应力线图中直线 ADG按比例Kc向下移，CG部分按静强 度考虑，故不作修正。即得零件 的极限

6、应力线图，如下 故各点坐标为采用同样方法，可得 AG直线方程： 直线CG方程为：弯曲疲劳极限综合影响系数KK 零件的有效应力集中系数。（在正应力作用下）零件的尺寸系数。（在正应力作用下）零件的表面质量系数。（在正应力作用下）q 零件的强化系数。（在正应力作用下）二、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算所以：计算安全系数及疲劳强度条件为：机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种:应力比为常数：r=C平均应力为常数b m=C最小应力为常数b min=Caeme 直线AG上任意点坐标。 进行零件疲劳强度 计算时，首先根据 零件危险截面上的 bmax 及 bmin 确 定平均应力bm与 应力幅

7、旳，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 线上的某一个点所代表的应力。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。1、r=Cr=C时，应该有联解OM、AG直线方程可得 M，坐标（ae、 me），相加即为M点零件的疲1 maxKam由上式得如果极限应力点为 N 极限应力为屈服极限s，所以强度条件为：其它加载方式相同。2、m C联解直线MM2与直线AG方程，求出M2点横纵坐标值，并相加：劳极限:maxaeme由于c为常数，故 连接坐标原点与工 作应力点，得 OM 或ON，,同一条射

8、线上各点应力比为 常数。M，、N，为工作应力点 相应的极限应力个 点。minmin m a C为与横轴夹角45°的斜直线，故可过 M',M3 '点即为极限应力点。同样的方法可得：三、双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力 的极限应力关系式为：作斜线LMSa和ta时，由实验得出1e1e式中a'及a'为同时作用的切向及法向应力 幅的极限值。由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。即代表一对AM'B 上任何一个点DB极限应力da'及T'若作用于零件上的应力幅a及a如图中M点表示，则由于

9、此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。计算安全系数S OM'ScaOMSSf S：各阶应 力均为 对称循 环最大 应力四、单向非稳定变应力时的疲劳强度计算 非稳定变应力包括：规律性非稳定变应力：按损伤积累假说进行疲劳强度计算随机变应力：用统计方法进行疲劳强度计算1. Miner 法则：规律性非稳定变应力如图:根据Miner定理：每个大于1的应力均:1 .：对材料有损的损伤率相加为100%时，材料发生疲劳破土坏。i循环ni次对材料的损伤率为niNi，每次循环的损伤率为1/N，当总2循环n2次对材料的损伤率为N2总损伤率为N1r)2N2N3，极限状况为：mm同理，N21No，N3No23N3n33循环n3次对材料的损伤率为由M