《机械零件的强度》PPT课件.ppt

1、第2章 机械零件的强度,2.1 载荷和应力的分类,2.2 静应力下机械零件的整体强度,2.3 变应力下机械零件的整体强度,2.4 机械零件的表面接触疲劳强度,第2章 机械零件的强度,2.1 载荷和应力的分类,一、载荷的分类,1）循环变载荷（周期性） 2）随机变载荷（非周期性）,静载荷,变载荷：,载荷： 1）名义载荷 2）计算载荷,二、应力的种类,脉动循环变应力,r =0,静应力: =常数,变应力: 随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r =-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r =+1,静应力是变应力的特例,-1 +1 -非

2、对称循环变应力,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,1、静应力下的失效形式：断裂和塑性变形。,2、静强度条件：或 （单向应力）,2.2 静应力下机械零件的整体强度,复合应力时的塑性材料：,按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 由第三强度理论 （最大剪应力理论） 由第四强度理论： （最大变形能理论）,塑性材料：lim=s，lim=s 脆性材料:lim=B，lim=B,3、许用安全系数的选取 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响,S,典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按以下原则取：, 零件尺寸大，结构笨重。,S, 可能不安全。,原则

3、：在保证安全可靠的前提下，尽可能小。,静应力： （1）塑性材料：表2.2 （2）脆性材料、低塑性材料： S=2-4 S=2-3 变应力：（1）塑性材料：S1.5-4.5 （2）脆性材料： S=2-6,2.3 变应力下机械零件的整体强度,一、疲劳断裂特征,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,1、失效形式：,零件表层产生微小裂纹；,2、疲劳断裂过程：,随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展；,当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。,疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。,表面光滑,表面粗糙,3、疲劳断裂的特征, 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;,

4、 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。,表面光滑,表面粗糙,影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性， 应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。,二、 材料的疲劳曲线,1、疲劳极限 ：r一定的变应力下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。,2、疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N。,3、疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,No 循环基数 持久极限,当N103(104)

5、高周循环疲劳当 时随循环次数疲劳极限,注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。,2）无限寿命区,持久极限,对称循环：,脉动循环：,3）疲劳曲线方程,1）有限寿命区 当N103(104)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算,寿命系数,疲劳极限,几点说明：, No 硬度350HBS钢，No=107 350HBS钢，No=25x107 有色金属(无水平部分)，规定当No25x107时,近似为无限寿命区, m特性系数（指数）与应力与材料的种类有关。 钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力 青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力,三、材料的疲劳极限应力图,材料的疲劳极限应力图同一种材料在

6、不同的应力循环特性下的疲劳极限图（ 图）,对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力 ，再由应力循环特性可求出 和 、。,以 为横坐标、 为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限 和 的关系图。,材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 和 而作出。,如图脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限,A对称疲劳极限点 B脉动疲劳极限点 S 屈服极限点 C 强度极限点,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。,当循环应力参数（ m

7、，a ）落在OAES以内时，表示不会发生疲劳破坏。,当应力点落在OAES以外时，一定会发生疲劳破坏。,而正好落在AES折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。,四、 影响机械零件疲劳强度的主要因素,1、应力集中有效应力集中系数,零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。,理论应力集中系数：图2.7 q材料的敏感系数： 图2.8,2、几何尺寸尺寸系数,由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著。,钢的尺寸系

8、数：图2.9、2.10 铸铁的尺寸系数：图2.11,3、表面状态-表面状态系数,零件的表面粗糙度对疲劳强度的影响。,表面强化处理（渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺）可提高疲劳强度。,钢材的表面状态系数：图2.12,钢材的表面质量系数,应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对平均应力无影响。,综合影响系数：,综合影响系数:,（ k ）D,零件,零件的极限应力线图,五、稳定变应力时安全系数计算,1、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,零件对称循环疲劳点,零件脉动循环疲劳点,单向只有 或,寿命系数:KN,工作点（ ， ）， 极限应力（ ）,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险

9、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。两种情况分别讨论,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线AES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：,-1,E,-1e,1) r=Const,通过联立直线OM和AE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

10、点的极限应力max 。,S,也是一个常数。,平均应力折合为应力幅的 等效系数。,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ES上，,有：,这说明工作应力为N点时，首先可能发生的是屈服失效。故只需要进行静强度计算即可。,强度计算公式为：,凡是工作应力点落在OES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。,2) m=Const,此时需要在 AE上确定M2，使得：m= m,显然M2在过M点且纵轴平行线上，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M M2和AE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

11、为：,同理，对于N点的极限应力为N2点。,由于落在了直线ES上，故只要进行静强度计算：,计算公式为：,例：1、某钢制零件材料性能为， ，受单向稳定循环变应力，危险剖面的综合影响系数，寿命系数。试问： （1）若工作应力 按常数的规律变化，问该零件首先发生疲劳破坏，还是塑性变形？ （2）若工作应力按应力比（循环特性）r=0.3=常数规律变化，问零件首先发生何种破坏？ （图解法、解析法均可）,解：（1）,作该零件的极限应力图。,常数时，应力作用点在NN线上，与极限应力图交于CG线上，所以该零件首先发生塑性变形。,（2）r=常数时，工作应力,在OGA范围内，因D点：,所以首先发生疲劳破坏。,(2)复合

12、应力状态时的安全系数,当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环弯扭复合应力时， 疲劳强度安全系数: 其中 屈服强度安全系数：,低塑性和脆性材料零件的安全系数：,2.4 机械零件的接触强度,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,接触失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使