CH-疲劳强度ppt课件

1、第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度3-1 资料的疲劳特性3-2 机械零件的疲劳强度计算交变应力举例交变应力举例构件内一点处的应力随时间作周期性变化构件内一点处的应力随时间作周期性变化, ,这种应力称为交变应力这种应力称为交变应力. .APt实例实例1 齿轮在啮合过程中，力齿轮在啮合过程中，力F迅速由零添加至最大值，然后减小至零。迅速由零添加至最大值，然后减小至零。试察看齿根某一点试察看齿根某一点A的弯曲正应力变化情况。的弯曲正应力变化情况。静平衡位置tt st max min实例实例2 一简支梁在梁中间部分固接一电动机一简支梁在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的重力作用产生由于电动机

2、的重力作用产生静弯曲变形静弯曲变形,当电动机任务时当电动机任务时,由于转子的偏心而引起离心惯性力由于转子的偏心而引起离心惯性力.由于离由于离心惯性力的垂直分量随时间作周期性的变化心惯性力的垂直分量随时间作周期性的变化,梁产生交变应力梁产生交变应力.实例实例3 火车轮轴上的力来自车箱火车轮轴上的力来自车箱.大小大小,方向根本不变方向根本不变.即弯矩根本不变即弯矩根本不变.PP横截面上横截面上 A点到中性轴的距点到中性轴的距离却是随时间离却是随时间 t 变化的变化的.假设轴以匀角速度假设轴以匀角速度 转动转动. tzAtry sinA的弯曲正应力为的弯曲正应力为tIrMIyM sin 是随时间是随

3、时间 t 按正弦曲线变化的按正弦曲线变化的t 1 2 3 4 1O交变应力产生的缘由交变应力产生的缘由 1 1、变载荷，载荷做周期性变化、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、静载荷，但零件点的位置随时间做周期性的变化m平均应力； a应力幅值max最大应力； min最小应力r 应力比循环特性2minmaxm2minmaxamaxminr描画规律性的交变应力有5个参数，但其中只需两个参数是独立的。 maxmax？ min min？交变应力的根本参数交变应力的根本参数特例特例1 1、对称循环、对称循环在交变应力下假设最大应力与最小应力等值而反号在交变应力下假设最大

4、应力与最小应力等值而反号.O max min t min= - max或或 min= - max1maxmin rmax a0m 三个特例三个特例假设假设 非对称循环交变应力中的最小应力等于零非对称循环交变应力中的最小应力等于零 min 时的交变应力时的交变应力, ,称为非对称循环交变应力称为非对称循环交变应力. .1r0maxmin r2maxma O max min=0 t特例特例2 2、脉动循环、脉动循环构件在静应力下构件在静应力下,各点处的应力坚持恒定，即各点处的应力坚持恒定，即 max= min . 假设将静应力视作交变应力的一种特例假设将静应力视作交变应力的一种特例,那么其循环特征

5、那么其循环特征1r0a maxm Ot 特例特例3 3、静应力、静应力r = -1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力交变应力的三个特例交变应力的三个特例疲劳破坏机理疲劳破坏机理裂纹缘裂纹缘光滑区光滑区粗糙区粗糙区o裂纹的扩展时断时续。因疲劳破坏是在远低于屈服极限下且没有明裂纹的扩展时断时续。因疲劳破坏是在远低于屈服极限下且没有明显征兆的情况下忽然发生的显征兆的情况下忽然发生的, ,极易呵斥严重事故。据统计极易呵斥严重事故。据统计, ,机械零件机械零件, ,尤其是高速运转的构件的破坏尤其是高速运转的构件的破坏, ,大部分属于疲劳破坏。大部分属于疲劳破坏。金属在交变应力下的破坏，习惯上称为

6、疲劳破坏。金属在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。晶粒滑移晶粒滑移微观裂纹微观裂纹扩展扩展有效面积下降有效面积下降忽然断裂忽然断裂1交变应力的破坏应力值普通低于静载荷作用下的强度交变应力的破坏应力值普通低于静载荷作用下的强度 极限值极限值,有时甚至低于资料的屈服极限有时甚至低于资料的屈服极限. 2无论是脆性还是塑性资料无论是脆性还是塑性资料,交变应力作用下均表现为交变应力作用下均表现为 脆性断裂脆性断裂,无明显塑性变形无明显塑性变形.3断口外表可明显区分为光滑区与粗糙区两部分断口外表可明显区分为光滑区与粗糙区两部分.疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点资料的疲劳特性测试资料的疲劳特性测试r=-1r

7、=-1o在纯弯曲变形下在纯弯曲变形下, ,测定对称循环的耐久极限技术上较简单测定对称循环的耐久极限技术上较简单. .o将资料加工成最小直径为将资料加工成最小直径为 7 710mm,10mm,外表磨光的试件外表磨光的试件, ,每组实验包括每组实验包括 1010根左右的试件根左右的试件. .P PP PP PP Pa aa aPaPa图图3-13-1的来历的来历 max，1 -1 max，2N1N212N max 当最大应力降低至某一值后当最大应力降低至某一值后, N 曲线趋一程度曲线趋一程度,表示资料可阅表示资料可阅历无限次应力循环而不发生破坏历无限次应力循环而不发生破坏,相应的最大应力值相应的

8、最大应力值 max 称为资料称为资料的疲劳极限或耐久极限的疲劳极限或耐久极限.用用 r 表示表示.r=-1r=0？机械零件的疲劳大多发生在疲机械零件的疲劳大多发生在疲劳曲线的劳曲线的CD段，可用下式描画：段，可用下式描画：)(DCmrNNNNCN)DrrNNN （D点以后的疲劳曲线呈一程度线，代表着无限寿命区，其方程为：点以后的疲劳曲线呈一程度线，代表着无限寿命区，其方程为： 有限寿命疲劳极限：有限寿命疲劳极限：疲劳曲线疲劳曲线资料的疲劳特性资料的疲劳特性无限寿命疲劳极限：无限寿命疲劳极限： 由于由于ND很大，所以在作疲劳实很大，所以在作疲劳实验时，常规定一个循环次数验时，常规定一个循环次数N

9、0(称称为循环基数为循环基数)，用，用r来近似代表来近似代表r，于是有：于是有：CNN0mrmrN 有限寿命区间内循环次数有限寿命区间内循环次数N N时时的疲劳极限的疲劳极限srNsrN为：为：式中：式中： KN为寿命系数；为寿命系数；m为资料常数，其值由实验确定；为资料常数，其值由实验确定； r查表。查表。rNKNNm0rrN疲劳曲线疲劳曲线 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 1。影响零件疲劳

10、极限的要素影响零件疲劳极限的要素 一、零件外形的影响一、零件外形的影响 假设构件上有螺纹假设构件上有螺纹,键槽键槽,键肩等键肩等,其耐久极限要比同样其耐久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低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其影响程度用有效应力集中系数表示示o首先区分一组概念：构件，零件，试件首先区分一组概念：构件，零件，试件o试件：较小且光滑光滑小试件试件：较小且光滑光滑小试件k1MM22 . 1dDrdD0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.120.14 0.16 0.180drMPa1000b 800900700600MPa500b 1.201.401.

11、601.802.002.202.402.602.803.003.203.40k弯曲时的有效应力集中系数弯曲时的有效应力集中系数0.020.04 0.060.080.10 0.120.140.160.180drTTrdD22 . 1dD1.201.401.601.802.002.202.401.00k2.602.80MPa700b 800MPa1000b 900改动时的有效应力集中系数改动时的有效应力集中系数二、零件尺寸的影响二、零件尺寸的影响o大试件的耐久极限比小试件的耐久极大试件的耐久极限比小试件的耐久极限要低限要低o尺寸对耐久极限的影响程度，尺寸对耐久极限的影响程度，用尺寸系数表示用尺寸系

12、数表示大直径光滑零件的疲劳极限大直径光滑零件的疲劳极限光滑小试件的疲劳极限光滑小试件的疲劳极限1 o右边表格右边表格给出了在给出了在弯、扭的弯、扭的对称应力对称应力循环时的循环时的尺寸系数尺寸系数. 直径直径d(mm)碳钢碳钢合金钢合金钢 各种钢各种钢 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 12

13、0 150 0.68 0.60 0.68 150 500 0.60 0.54 0.60 尺寸系数表尺寸系数表 三、零件外表形状的影响三、零件外表形状的影响 实践构件外表的加工质量对耐久极限也有影响,这是由于不同的加工精度在外表上呵斥的刀痕将呈现不同程度的应力集中.o假设构件外表经过淬火、氮化、渗碳等强化处置假设构件外表经过淬火、氮化、渗碳等强化处置,其耐久极限其耐久极限也就得到提高也就得到提高.o外表质量对耐久极限的影响用外表形状系数外表质量对耐久极限的影响用外表形状系数表示表示外表形状不同的零件的疲劳极限外表磨光的规范试件的疲劳极限1101k为有效应力集中系数为有效应力集中系数k为尺寸系数为

14、尺寸系数 为外表光滑小试件的耐久极限为外表光滑小试件的耐久极限r=-1r=-11 假设循环应力为剪应力假设循环应力为剪应力, ,将上述公式中的正应力换为剪应力即可将上述公式中的正应力换为剪应力即可. .rrk0 对称循环下对称循环下r=-1,上述各系数均可查表而得上述各系数均可查表而得.为外表形状系数为外表形状系数K101为综合影响系数为综合影响系数K通常通常11kK令令那那么么其中：其中：综合影响系数的引入综合影响系数的引入零件的疲劳强度计算零件的疲劳强度计算o平安系数o当r=-1时o当r为普通值时SS零件的最大工作应力零件的持久极限/max1SKS疲劳实验复杂且没有必要，如何转化？疲劳实验

15、复杂且没有必要，如何转化？第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度3-1 资料的疲劳特性3-2 机械零件的疲劳强度计算a aamO选取以平均应力选取以平均应力m为横为横轴轴,应力幅应力幅a为纵轴的坐为纵轴的坐标系标系对任一循环对任一循环,由它的由它的a和和m便可在坐标系中确定便可在坐标系中确定一个对应的一个对应的P点点amP假设把该点的纵横坐标假设把该点的纵横坐标相加相加,就是该点所代表的就是该点所代表的应力循环的最大应力即应力循环的最大应力即maxma 由原点到由原点到P点作射线点作射线OP其斜率为其斜率为rr 11tanminmaxminmaxma a a极限应力线图极限应力线图阐明：循

16、环特征一样的一切应力循环都在同一射线上阐明：循环特征一样的一切应力循环都在同一射线上.a aamOamP离原点越远离原点越远,纵横坐标之纵横坐标之和越大和越大,应力循环的应力循环的max也越大也越大只需只需max不超越同一不超越同一r下的耐久极限下的耐久极限r,就不会就不会出现疲劳失效出现疲劳失效所以在每一条由原点出发的射线上所以在每一条由原点出发的射线上,都有一个由耐久极限都有一个由耐久极限r确定的临界点确定的临界点(如如OP上的上的P).将这些点联成曲线即为耐久极限曲线。将这些点联成曲线即为耐久极限曲线。Pr=-1时时r=0时时r=+1时时区域内区域内，区域外区域外a a A20 CbBa

17、mOamPP由于需求较多的实验资由于需求较多的实验资料才干得到耐久极限曲料才干得到耐久极限曲线线,所以通常采用简化所以通常采用简化的耐久极限曲线的耐久极限曲线最常用的简化方法是由最常用的简化方法是由对称循环对称循环,脉动循环和静脉动循环和静载荷载荷,获得获得A,C,B三点三点用折线用折线ACB替代原来替代原来的曲线，偏于平安。的曲线，偏于平安。折线折线AC部分的倾角为部分的倾角为,斜率为斜率为2/2/tan001 直线直线AC上的点都与耐久极限上的点都与耐久极限r相对应相对应,将这些点的坐标志为将这些点的坐标志为rm和和ra于是于是AC的方程可写为由斜率和截距的方程可写为由斜率和截距m1arr

18、 sOBHIJCFKGPEALmmaaEK：疲劳极限：疲劳极限KJ：屈服极限：屈服极限资料的与零件的极限应力线图资料的与零件的极限应力线图A直线的方程为：ma1smaC直线的方程为：0012y为试件受循环弯曲应力时的资料常数，其值由实验及下式决议： 对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。资料的极限应力线图资料的极限应力线图图图3-3 3-3 教材教材2424页页A: 对称循环极限应力点对称循环极限应力点D: 脉动循环极限应力点脉动循环极限应力点C : 屈服极限应力点屈服极限应力点 由于零件几何外形的变化、尺寸大小、加工质量及强化要素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于资料试件的疲

19、劳极限。 将零件资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思索的，故不须进展修正。这样就得到了零件的极限应力线图。零件的极限应力线图零件的极限应力线图AG：疲劳极限：疲劳极限CG：屈服极限：屈服极限图图3-4 3-4 教材教材2525页页进展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任务应力点M或N。 根据零件任务时所受的约束来确定应力能够发生的变化规律，从而决议以哪根据零件任务时所受的约束来确定应力能够发生的变化规律，从而

20、决议以哪一个点来表示极限应力。机械零件能够发生的典型的应力变化规律有以下三种：一个点来表示极限应力。机械零件能够发生的典型的应力变化规律有以下三种： 与任务应力点相对与任务应力点相对应的极限应力点在？应的极限应力点在？零件疲劳强度计算单向稳定变应力零件疲劳强度计算单向稳定变应力AGAG：疲劳极限：疲劳极限CGCG：屈服极限：屈服极限(1)(1)应力比应力比=C=C由两直线方程得由两直线方程得交点交点x=?,y=? x+y=?SS零件的最大工作应力零件的持久极限o1当r=-1时o2当r为普通值时/max1max1SKKS1maxlimSKSmao 因此，欲求某一因此，欲求某一r r值下的非对称循

21、环下零件的疲劳强度，不值下的非对称循环下零件的疲劳强度，不用知道此用知道此r r下零件的耐久极限，而只需知道资料在下零件的耐久极限，而只需知道资料在r=-1r=-1时的耐久极时的耐久极限及折算系数即可计算其疲劳强度。限及折算系数即可计算其疲劳强度。(2)(2)应力均值应力均值=C=C(3)(3)应力最小值应力最小值=C=C规律性不稳定变应力机械零件的疲机械零件的疲劳强度计算劳强度计算3 3假设应力每循环一次都对资料的破坏起一样的作用，那么应力 1 每循环一次对资料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对资料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对资料的损伤率即为n2/N2，。当损

22、伤率到达100%时，资料即发生疲劳破坏，故对应于极限情况有：1332211NnNnNn用统计方法进展疲劳强度计算不稳定变应力非规律性规律性按损伤累积假说进展疲劳强度计算详细分析零件疲劳强度计算单向不稳定变应力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机械零件的疲劳强度计算4 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：12e1a2e1a式中 ta及sa为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。假设作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示，那么由于此任务应力点在极限以内，未到达极限条件，因此是平安的。 由于是对称循环变应力，故应力幅即

23、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。详细推导计算平安系数：22caSSSSOMOMS零件疲劳强度计算双向稳定变应力零件疲劳强度计算双向稳定变应力 在综合思索零件的性能要求和经在综合思索零件的性能要求和经济性后，采器具有高疲劳强度的资料，并配以适当的热处置和各种济性后，采器具有高疲劳强度的资料，并配以适当的热处置和各种外表强化处置。外表强化处置。 适当提高零件的外表质量，特别是提高有应力集中部位的外表加工适当提高零件的外表质量，特别是提高有应力集中部位的外表加工 质量，必要时外表作适当的防护处置。质量，必要时外表作适当的防护处置。 尽能够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尽能够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。措施。 尽能够地减少或消除零件外表能够发生的初始裂纹的尺寸，对于延尽能够地减少或消除零件外表能够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资料性能更为显著的作用。长零件的疲劳寿命有着比提高资料性能更为显著的作用。减载槽减载槽 在不可防止地要产生较大应力集在不可防止地要产生较大应力集中的构造处，可采用减