机械零件设计和计算概论课件.ppt

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1、第3章机械零件的疲劳强度3.1概述3.2材料的疲劳特性3.3机械零件的疲劳强度计算3.4机械零件抗断裂强度简介3.5机械零件的接触疲劳强度结束放映第3章机械零件的疲劳强度机械零件的强度，是指其抵抗各种机械性破坏的能力。强度是衡量机械零件工作能力的最基本准则，保证必要的强度是设计机械零件时的首要任务。通用机械零件的强度分为静应力强度和变应力强度两个范畴。早期的机械零件强度设计只限于静强度计算。到了19世纪中叶，从火车轮轴大量疲劳断裂的事故中发现了在交变应力作用下的疲劳破坏现象，开始了对疲劳强度的研究。实际上，常用的机械零件很多是在交变应力作用下工作的

2、，疲劳破坏是其主要的失效形式之一。3.1概述3.1.1变应力的种类☆变应力的特征参数平均应力应力幅循环特征（应力比）稳定循环变应力非稳定循环变应力随机性非稳定变应力规律性非稳定变应力变应力的种类对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力☆稳定循环变应力的分类——σmax=σminσa=0σm=σmaxr=+1σmaxr=0σmax=-σmin=σaσminr=-1σaσaσmaxσminσm-1＜r＜1静应力脉动循环变应力对称循环变应力任意不对称循环变应力σmin=0tσ0σaσm=σaσaσm=03.1.2金属材料疲劳失效的特点☆疲劳失效的特点

3、第3章机械零件的疲劳强度⑴工作应力值较低；⑵疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂；⑶疲劳断口特征：贝壳纹第3章机械零件的疲劳强度3.2材料的疲劳特性材料的疲劳特性可用最大应力σmax、应力循环次数N、循环特性（应力比）r来描述。目前常用疲劳曲线（σ－N曲线）或极限应力线图（σm－σa线图）来表示它们之间的关系。ABCDσmaxN3.2.1疲劳曲线次疲劳区次疲劳区低周疲劳区（应变疲劳）低周疲劳区N=104高周疲劳区（应力疲劳）高周疲劳区N=106疲劳破坏的类型应变疲劳（低周循环）应力疲劳（高周循环）特点：应力水平高，循环次数少。材料因应变疲劳而破坏

4、，∴用许用应变值来控制特点：应力水平低，循环次数多。材料因应力疲劳而破坏，∴用许用应力值来控制特点：应力水平低于某一数值，裂纹停止扩展。σN有限寿命区无限寿命区(循环基数)★疲劳曲线方程（当N＜N0时）m、C为试验常数NσrNN0σrσr∞NE有限寿命疲劳极限持久疲劳极限疲劳极限寿命系数，当N＞N0时，可取KN=1必须注意：NE是对应于材料疲劳曲线转折点的应力循环次数，而循环基数N０是人为规定的一个循环次数。设计手册中的N０，可能等于NE，也可能不等于NE，这是查手册时应当弄清楚的，不要把二者弄混淆了。☆疲劳曲线（σ—N曲线）疲劳曲线是用一批标准试

5、件进行疲劳实验并用统计处理的方法得到的。即以规定的循环特征r的变应力（通常取r=-1)加于标准试件，经过N次循环后不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限应力σrN。通过实验，可以得到不同的σrN时相应的循环次数N，将结果绘制成疲劳曲线，即σ-N曲线。＊◆材料不同，疲劳曲线不同：◆同样的材料，循环特性不同，疲劳曲线不同：◆可靠度不同，疲劳曲线不同：通常，未加说明的疲劳曲线，均指循环特性r=-1、可靠度R=50%的疲劳曲线。OAσaσm3.2.2极限应力线图（主要用于非对称循环变应力的计算）BSD’C45º45º曲线A’B上方区域内坐标点所对应的最

6、大应力值，都超过材料的疲劳极限。曲线A’B下方区域内坐标点所对应的最大应力值，均低于材料的疲劳极限。B1.极限应力图——疲劳寿命一定时，应力比r不同，材料的疲劳极限σrN亦不同，它们之间的关系可用平均应力（rm）和应力幅（ra）绘成的曲线图表示。0/20/2对称循环疲劳极限点静强度极限点脉动循环疲劳极限点塑性材料的屈服极限点rmra–1曲线A’B上任一坐标点的变应力值代表材料在某一循环特性下的疲劳极限′OA’σaσmCBD’45º45º2.塑性材料极限应力线图的简化G’①直线G’C段方程②直线A’G’段方程（用两点式求出）（0/2,

7、0/2）（0,–1）有关扭转（剪应力）的简化疲劳曲线方程及当量应力幅计算式可仿照正应力方法确定。θ工程上为计算方便，用折线A’G’C近似代替曲线A’D’B。即折线上任意点的坐标（σ’m、σ’a）代表某一循环特性下的疲劳极限。等效系数，取值：对于碳钢，=0.1～0.2；对于合金钢，=0.2～0.3；3.3.1影响机械零件疲劳强度的主要因素1应力集中的影响零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会产生应力集中，在这些地方微裂纹萌生、扩展更为容易、迅速，因此会明显地降低材料的疲劳极限。常用有效应力集中系数k（或k）考虑其对零

8、件疲劳极限的影响。几种典型机械零件的k、k值见附录表或：3.3机械零件的疲劳强度计算前面分析的疲劳曲线和疲劳极限，只能