机械设计第3章机械零件的疲劳强度.ppt

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1、第三章机械零件的疲劳设计3.1疲劳断裂的过程及断面特征3.2材料的疲劳特性曲线3.3影响零件疲劳强度的系数3.4机械零件的疲劳极限应力图3.5机械零件的疲劳安全系数计算方法3.6现行疲劳损伤积累假说及其应用3.1疲劳破坏的过程及断面特征为什么会造成疲劳破坏？主要是材料表面有裂纹存在，在反复变应力作用下，裂纹的表面周期性地压紧和分开，使裂纹扩展，当裂纹发展到一定程度后，余下的截面不能满足静强度要求而发生的突然性一次断裂而形成的断面。断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙脆性断裂区组成→轴向变形不均匀→载荷的波动，裂纹前进不均匀断裂扩展→光滑疲劳发展区脆性断裂→粗糙的脆性断裂区疲

2、劳断裂的过程一般由两个阶段构成：第一个阶段是零件表面上应力较大位置的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源；第二个阶段为裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。对于实际的零件疲劳过程来说，由于材料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是从第二阶段开始的。3.2.1材料的-N疲劳曲线1.疲劳极限----在循环特性r一定的变应力作用下,经过N次循环作用材料不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限(rN或rN)2.疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N3.2材料的疲劳特

3、性曲线3.疲劳曲线：应力循环特性r一定时，材料的疲劳极限rN或rN与应力循环次数N之间关系的曲线1）有限寿命区当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算当N>103(104)——高周循环疲劳当时随循环次数↑疲劳极限↓对于机械设计问题，大部分材料处于AB段，这一区域中，疲劳曲线符合指数方程：循环基数N0与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。对于钢：若硬度350HB，取N0=106~107；350HB，取N0=10×106~25×107有色金属：N0=25×107。指数m对于钢：拉应力、弯曲应力和切应力时：m=9接触应力：m=6对于青

4、铜：弯曲应力：m=9接触应力：m=8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：当作用在材料上的疲劳应力小于σr时，疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。3、循环特性r对疲劳曲线的影响应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利寿命系数：式中：——寿命系数。如果已知循环基数N0和疲劳极限（），则N次循环时的疲劳极限为：3.2.2材料的σa—σm曲线用材料的标准试件实验,m-a曲线表达的是在不同循环特性r的应力作用相同的次数N，材料的疲劳极限应力分布图，在曲线上的每一点都是等寿

5、命的，又称为疲劳极限应力图.图3.6塑性材料的m-a曲线图3.7低塑性和脆性材料的m-a曲线塑性材料的σa-σm简化曲线3.2.3常用疲劳极限数值表3.1max=m+a=sm=s-a1、应力集中的影响:应力集中系数ασ、ατ——考虑零件几何形状的理论应力集中系数q——考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数3.3影响零件疲劳强度的系数上述曲线是用材料的标准试件进行试验的，实际零件的疲劳极限由于应力集中、零件尺寸、表面状态的不同而不同。2、尺寸的影响----尺寸越大，材料的晶粒会愈粗、出现缺陷的几率也就会愈大、机械加工后所形成的表面冷作硬化层(对疲劳强

6、度有利）相对较薄。尺寸系数：εα，ετ图3.14钢的尺寸系数（a）和铸铁的尺寸系数（b）3、表面状态的影响：表面的质量好坏对疲劳源的形成、应力集中、抗疲劳能力等多方面产生影响。----表面状态系数：βσ，βτ零件加工的后处理方法对表面状态的影响也很大，淬火、渗碳、渗氮、抛光、喷丸、滚压都可以提高抗疲劳强度，减少初始裂纹产生和扩展作用。4、综合影响系数：计算时要将零件的工作应力幅乘以综合影响系数。试验表明，应力集中、零件尺寸和表面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑。3.4机械零件疲劳极限应力图考虑综合影响系数（kσ）D和寿命系数

7、kN1.所谓机械零件的疲劳极限应力图是在考虑了综合影响系数和寿命系数之后得出的疲劳极限应力图2.综合影响系数只对极限应力幅有影响,而寿命系数对应力幅和平均应力均有影响3.工作应力点(m,a)必须落在安全区内,当零件受到的应力增长导致发生破坏时，最终发生的破坏形式与应力的增长规律有关。工作应力增长的规律图3.17三种常见的应力增长方式3.5机械零件安全系数的计算疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判断危险截面处的安全程度,准则为:S[S]该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材料,结构和尺寸均已确定的条件下进行的按=常数进行加载时的疲劳安全系数