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1、机械零件的疲劳强度现在学习的是第1页，共30页安全安全寿命寿命设计：在：在规定的工作期限内，不允定的工作期限内，不允许出出现疲疲劳裂裂纹，一旦出，一旦出现即即认为零件失效。零件失效。破破损安全安全设计：允：允许零件存在裂零件存在裂纹，但，但须保保证在在规定的工定的工作期限内能安全可靠地工作。作期限内能安全可靠地工作。在交在交变应力作用下即使力作用下即使应力低于极限力低于极限应力，塑性很好的材力，塑性很好的材料也会料也会发生破坏（疲生破坏（疲劳破坏）。疲破坏）。疲劳破坏占破坏的破坏占破坏的80%以上。以上。在交在交变应力下是以力下是以rN作作为极限极限应力。力。零件疲零件疲劳强度度计算方法有两种
2、：算方法有两种：现在学习的是第2页，共30页3.1 疲疲劳断裂的特征断裂的特征发生生过程：程：表面小表面小裂裂纹应力集力集中中裂裂纹扩展展宏宏观疲疲劳纹局部局部断裂断裂交交变应力力反复反复作用作用初始裂初始裂纹疲疲劳区区(光滑光滑)粗糙区粗糙区轴在交在交变应力作用下零件主要失力作用下零件主要失效形式之一效形式之一为疲疲劳断裂。断裂。现在学习的是第3页，共30页表表3.1现在学习的是第4页，共30页3.2 疲疲劳曲曲线和疲和疲劳极限极限应力力图 3.2.1 疲疲劳极限极限3.2.2 疲疲劳曲曲线(固定固定r)在一定的循在一定的循环特性特性r下，下，变应力循力循环N次后，不次后，不发生疲生疲劳破破
3、坏的最大坏的最大应力。力。NrNrNN0疲疲劳曲曲线有限寿命区有限寿命区N 应力循力循环次数次数rN 疲疲劳极限（极限（对应于于N）r 持久极限持久极限N0 循循环基数基数强度条件：度条件：lim =？变应力力时，取，取 lim =r（无限寿命）（无限寿命）或或 lim =rN（有限寿命）（有限寿命）各种材料的各种材料的r可从有关手册中可从有关手册中查取取现在学习的是第5页，共30页寿命系数寿命系数=1 3）r不同，同一材料疲不同，同一材料疲劳曲曲线不同不同 注意点：注意点：与与，相似相似1）1.有限寿命的高周循有限寿命的高周循环区区与应力状态有关的指数为循循环基数，与材料有关基数，与材料有关
4、2）现在学习的是第6页，共30页2.无限寿命区无限寿命区 疲疲劳曲曲线为一水平一水平线，疲，疲劳极限不随极限不随N的增加而降低。的增加而降低。是根据光滑小是根据光滑小试件的件的试验结果果绘制的。制的。试验是在不同循是在不同循环特性特性(r=-1)和相同循和相同循环次数（等寿命）的条件下次数（等寿命）的条件下进行。通常取行。通常取为或或。试验结果即果即为材料的疲材料的疲劳极限极限3.2.3 极限极限应力力图 （表示材料在不同的循（表示材料在不同的循环特性下特性下不同的疲不同的疲劳极限）极限）现在学习的是第7页，共30页）塑性材料）塑性材料 疲疲劳极限极限图简化化图：BEGS折折线（）阴影（）阴影
5、BEG部分不安全，其余偏安全部分不安全，其余偏安全（）（）ES塑性极限曲塑性极限曲线，其上各点，其上各点）脆性材料（）脆性材料（见教材）教材）注意：注意：现在学习的是第8页，共30页3.3 影响机械零件疲影响机械零件疲劳强度的主要因素度的主要因素 4、综合影响系数合影响系数1、应力集中的影响，力集中的影响，2、尺寸的影响、尺寸的影响 ，3、表面状、表面状态的影响的影响 ，应力集中、尺寸和表面状力集中、尺寸和表面状态都只都只对 有影响，而有影响，而对 影响不大影响不大现在学习的是第9页，共30页3.4 许用疲用疲劳极限极限应力力图 3.4.1 稳定定变应力和非力和非稳定定变应力力 稳定定变应力，
6、力，、周期不随周期不随时间变化（化（单向，复合）向，复合）非非稳定定变应力，力，、周期随周期随时间变化化（周期性，随机性）（周期性，随机性）现在学习的是第10页，共30页3.4.2 许用疲用疲劳极限极限应力力图现在学习的是第11页，共30页3.4.3 工作工作应力增力增长规律律如：如：轴的弯曲的弯曲应力力1.循循环特性等于常数特性等于常数r=1r=0 r=-1 零件的工作零件的工作应力力C（，），（，），+=，C点距点距O愈愈远,愈大，但愈大，但零件才不零件才不会破坏。会破坏。循循环特性相同的特性相同的变应力都在同一射力都在同一射线上上现在学习的是第12页，共30页如：如：车辆减振减振弹簧簧2
7、.平均平均应力等于等于常数力等于等于常数现在学习的是第13页，共30页如：汽缸盖的螺栓如：汽缸盖的螺栓联接接3.最小最小应力等于常数力等于常数现在学习的是第14页，共30页3.5.1 单向向应力状力状态时的安全系数的安全系数3.5 稳定定变应力力时的安全系数的安全系数计算算1.r=常数常数最大最大应力安全系数：力安全系数：平均平均应力安全力安全系数：系数：应力幅安全系力幅安全系数：数：现在学习的是第15页，共30页（1）图解法：解法：最大最大应力安全系数：力安全系数：应力幅安全系数：力幅安全系数：（a）工作点）工作点为C点点时（b）工作点）工作点为C1点点时屈服安全系数：屈服安全系数：现在学习
8、的是第16页，共30页（2）解析法：解析法：（a）工作点位于疲）工作点位于疲劳安全区：安全区：由由AE的直的直线方程：方程：平均平均应力折合力折合为应力幅的等效系数，表示材料力幅的等效系数，表示材料对循循环不不对称性的敏感程度。称性的敏感程度。OC的直的直线方程：方程：现在学习的是第17页，共30页得：得：则：（b）工作点位于塑性安全区：）工作点位于塑性安全区：现在学习的是第18页，共30页同理（同理（对剪剪应力）：力）：说明：（明：（1）上述公式）上述公式对脆性材料也适用脆性材料也适用 （2）对于切于切应力方法相同，公式一致力方法相同，公式一致 （3）工作点作用在不同区域）工作点作用在不同区
9、域计算方法不同，算方法不同，若区域不能确定两个区域都要若区域不能确定两个区域都要计算。算。（4）在）在N未知未知时作作，KN=1现在学习的是第19页，共30页2.m=常数常数计算公式算公式见书p49页，公式，公式3.133.15现在学习的是第20页，共30页计算公式算公式见书p49页，公式，公式3.163.183.min=常数常数现在学习的是第21页，共30页例：已知某机械零件的材料的屈服极限例：已知某机械零件的材料的屈服极限s=600MPa，-1=300MPa，（，（k）D=1.5，m=9，=0.2，实际应力循力循环为106，（取，（取N0=107），当零件截面上的最大），当零件截面上的最大
10、应力力为200MPa，最，最小小应力力为-40MPa，（，（1）画出零件的疲）画出零件的疲劳极限极限应力力图；（；（2）求）求该零件的安全系数（零件的安全系数（r=常数）常数）解：解：A(0,-1)=(0,300)B(0/2,0/2/2)=(250,250)现在学习的是第22页，共30页ABSABCCHG现在学习的是第23页，共30页3.4.2 复合复合应力状力状态时的安全系数的安全系数在在对称循称循环弯扭复合弯扭复合应力下按第三力下按第三强度理度理论计算，近似取算，近似取 得疲得疲劳强度安全系数度安全系数:2.低塑性和脆性材料低塑性和脆性材料:复合复合应力的屈服力的屈服强度安全系数度安全系数
11、:1.塑性材料塑性材料 现在学习的是第24页，共30页3.6 规律性非律性非稳定定变应力力时机械零件的疲机械零件的疲劳强度度3.6.1 疲疲劳损伤积累假累假说 在每一次在每一次应力作用下力作用下,零件寿命就要造成少量的疲零件寿命就要造成少量的疲劳损伤,当疲当疲劳损伤积累到一定程度累到一定程度时,便便发生疲生疲劳破坏。破坏。现在学习的是第25页，共30页循循环特性特性为r时各循各循环的最大的最大应力力 假假设：机械零件在：机械零件在规律性非律性非稳定定变应力作用下，各个力作用下，各个变应力力对零件的零件的损伤是可以叠加的，当是可以叠加的，当损伤率达到率达到100%时，材料，材料即即发生疲生疲劳破
12、坏。破坏。1，2，3，n 各各应力相力相对应的的积累循累循环次数次数 各各应力相力相对应的材料极限循的材料极限循环次数次数 应力循力循环一次一次损伤率率，注意：小于疲注意：小于疲劳极限极限r的的应力力对疲疲劳寿命无影响。寿命无影响。现在学习的是第26页，共30页3.6.2 等效等效稳定定变应力和寿命系数力和寿命系数 非非稳定定变应力下零件的疲力下零件的疲劳强度度计算是先将非算是先将非稳定定变应力折力折算成算成单一的与其寿命一的与其寿命损伤率相等的等效率相等的等效稳定定变应力力v，然后再按，然后再按稳定定变应力力进行疲行疲劳强度度计算。算。通常取等效通常取等效应力力v等于非等于非稳定定变应力中作
13、用力中作用时间最最长的和（或）的和（或）起主要作用的起主要作用的应力。力。设对应v的是等效循的是等效循环次数次数Nv和极限循和极限循环次数次数Nv，则：分子、分母相分子、分母相应乘以：乘以：，而而现在学习的是第27页，共30页即即设等效循等效循环次数次数Nv时的疲的疲劳极限极限为rv，循，循环基数基数N0时的疲的疲劳极限极限为r，则：所以：所以：现在学习的是第28页，共30页解：解：例：例：45#：，m=9，N0=5106，以，以对称循称循环变应力力 作用作用N1=104，作用作用N2=105，若再以，若再以 作用作用该试件，件，试件件还能再循能再循环多少次？多少次？现在学习的是第29页，共30页（1）取等效取等效应力力 等于非等于非稳定定变应力中起主要作用的力中起主要作用的应力力 ，并，并取取 的的应力幅力幅 和平均和平均应力力 相相应的等于的等于 的的应力幅力幅 和平均和平均应力力 ；（5）按最大非按最大非稳定定变应力力计算塑性材料屈服算塑性材料屈服强度安全系数。度安全系数。（4）按等效按等效应力力计算疲算疲劳强度安全系数；度安全系数；（2）求等效循求等效循环次数次数 ；（3）求等效循求等效循环次数次数时的寿命系数的寿命系数 和疲和疲劳极限极限 ；3.6.3 规律性非律性非稳定定变应力力时安全系数的安全系数的计算步算步骤现在学习的是第30页，共30页