《第3章机械零件的疲劳强度5530348254.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章机械零件的疲劳强度5530348254.ppt（48页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章第三章 机械零件的疲劳设计机械零件的疲劳设计3.13.1疲劳断裂的过程及断面特征疲劳断裂的过程及断面特征3.23.2材料的疲劳特性曲线材料的疲劳特性曲线3.33.3影响零件疲劳强度的系数影响零件疲劳强度的系数3.43.4机械零件的疲劳极限应力图机械零件的疲劳极限应力图3.53.5机械零件的疲劳安全系数计算方法机械零件的疲劳安全系数计算方法3.63.6现行疲劳损伤积累假说及其应用现行疲劳损伤积累假说及其应用2021/9/2313.1 3.1 疲劳破坏的过程及断面特征疲劳破坏的过程及断面特征为什么会造成疲劳破坏？为什么会造成疲劳破坏？主要是材料表面有裂纹存在，在反复变应力主要是材料表面有裂纹
2、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。形成的断面。2021/9/232断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙脆性断裂区组成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轴向变形不均匀载荷的波动，裂纹前进载荷的波动，裂纹前进 不均匀不均匀断裂扩展断裂扩展光滑疲劳发展区光滑疲劳发展区脆性断裂脆性断裂粗糙的脆性断裂区粗糙的脆性断裂区 2021/9/233疲
3、劳断裂的过程一般由两个阶段构成：疲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，的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源；形成疲劳源；第二个阶段为裂纹尖端在切应力下发生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反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。劳断裂。对于实际的零件疲劳过程来说，由于材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在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳源，因此零件的疲劳
4、破坏过程一般都是源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是从第二阶段开始的。从第二阶段开始的。2021/9/2343.2.1 3.2.1 材料的材料的-N N疲劳曲线疲劳曲线1.1.疲劳极限疲劳极限-在循环特性在循环特性r r一定的变应力作用一定的变应力作用下下,经过经过N N次循环作用材料不发生疲劳破坏的最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大应力称为疲劳极限(rNrN或或 rNrN)2.2.疲劳寿命疲劳寿命（N N）材料疲劳失效前所经历材料疲劳失效前所经历的应力循环次数的应力循环次数N N3.2 3.2 材料的疲劳特性曲线材料的疲劳特性曲线2021/9/2353.3.疲劳曲线：疲劳曲
5、线：应力循环特性应力循环特性r r一定时，材料的疲一定时，材料的疲 劳极限劳极限 rNrN或或 rNrN与应力循环次数与应力循环次数N N 之间关系的曲线之间关系的曲线2021/9/236当当NN10103 3(10(104 4)高周循环疲劳当高周循环疲劳当 时随循环次数时随循环次数疲劳极限疲劳极限1 1）有限寿命区）有限寿命区 当当N N10103 3(10(104 4)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算按静强度计算对于机械设计问题，大部分材料处于对于机械设计问题，大部分材料处于ABAB段，这一区域段，这一区域中，疲劳曲线符合指数方程：中，疲劳曲
6、线符合指数方程：2021/9/237循环基数循环基数N N0 0与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。对于钢：若硬度对于钢：若硬度 350HB350HB，取，取N N0 0=10=106 610107 7；350HB350HB，取，取 N N0 0=1010=10106 625 1025 107 7有色金属：有色金属：N N0 0=25 10=25 107 7 。2021/9/238指数指数mm对于对于钢钢：拉应力、弯曲应力和切应力时：拉应力、弯曲应力和切应力时：m=9m=9 接触应力：接触应力：m=6m=6对于对于青铜青铜：弯曲应力：弯曲应力：m=9
7、m=9 接触应力：接触应力：m=8m=82021/9/239l注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。2 2）无限寿命区）无限寿命区持久极限持久极限对称循环：对称循环：脉动循环：脉动循环：当作用在材料上的疲劳应力小到当作用在材料上的疲劳应力小到N0时，疲劳极限不时，疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。再随循环次数的增加而降低。2021/9/23103、循环特性循环特性r r对疲劳曲线的影响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（应力循环特性越有利。对称循环（应力
8、循环特性=-1=-1）最不利）最不利2021/9/2311寿命系数：寿命系数：式中：式中：寿命系数。寿命系数。如果已知循环基数如果已知循环基数N N0 0和疲劳极限和疲劳极限 （），则），则N N次循环时的疲劳极限为：次循环时的疲劳极限为：2021/9/23123.2.23.2.2材料的材料的 a a mm曲线曲线 用材料的用材料的标准试件标准试件实验实验,m-m-a a曲线表达的是在不同曲线表达的是在不同循环特性循环特性r r的应力作用相同的次数的应力作用相同的次数N N，材料的疲劳极限应，材料的疲劳极限应力分布图，在曲线上的每一点都是等寿命的，又称为疲力分布图，在曲线上的每一点都是等寿命的
9、，又称为疲劳极限应力图劳极限应力图.图图3.6 3.6 塑性材料的塑性材料的 m-m-a a曲线曲线 图图3.7 3.7 低塑性和脆性材料的低塑性和脆性材料的 m-m-a a曲线曲线2021/9/2313塑性材料的塑性材料的aa-mm简化曲线简化曲线3.2.33.2.3常用疲劳极限数值常用疲劳极限数值表表3.13.1 max=m+a=s m=s-a2021/9/23141、应力集中的影响应力集中的影响:应力集中应力集中系数系数 、考虑零件几何形状的理论应力集中系数考虑零件几何形状的理论应力集中系数 qq考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数 3.3 3.3 影
10、响零件疲劳强度的系数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。的不同而不同。2021/9/23152021/9/23162021/9/23172 2、尺寸的影响尺寸的影响-尺寸越大，材料的晶粒会愈尺寸越大，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相对较薄。所形成的表面冷作硬化层相对较薄。尺寸系数：尺寸系数：，图图3.14 3.14 钢的尺寸系数（钢的尺
11、寸系数（a a）和铸铁的尺寸系数（）和铸铁的尺寸系数（b b）2021/9/23183、表面状态的影响表面状态的影响：表面的质量好坏对疲劳源：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的形成、应力集中、抗疲劳能力等多方面产生影响响 。-表面状态系数：表面状态系数：，2021/9/2319零件加工的后处理方法对表面状态的影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、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少初始裂纹产生和扩展作用 。2021/9/23204 4、综合
12、影响系数：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。对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑。2021/9/23213.4 3.4 机械零件疲劳极限应力图机械零件疲劳极限应力图考虑综合影响系数（考虑综合影响系数（k k）D D和寿命系数和寿命系数k kN N2021/9/23221.1.所谓机械零件的疲劳极限应力图是在所谓机械零件的疲劳极限应力图是在考虑了综合
13、影响系数和寿命系数之后得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出的疲劳极限应力图2.2.综合影响系数只对极限应力幅有影响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而寿命系数对应力幅和平均应力均有影响响3.3.工作应力点工作应力点(mm,a a)必须落在安全区内必须落在安全区内,当零件受到的应力增长导致发生破坏时，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最终发生的破坏形式与应力的增长规律有关有关 。2021/9/2323 工作应力增长的规律工作应力增长的规律图图3.17 3.17 三种常见的应力增长方式三种常见的应力增长方式2
14、021/9/23243.5 3.5 机械零件安全系数的计算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疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判即判断危险截面处的安全程度断危险截面处的安全程度,准则为准则为:S S SS该算法具有验算性质该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材因为计算是在零件的材料料,结构和尺寸均已确定的条件下进行的结构和尺寸均已确定的条件下进行的2021/9/2325 按按 =常数进行加载时的疲劳安全系数的计算方法常数进行加载时的疲劳安全系数的计算方法2021/9/23261.1.图解法求安全系数图解法求安全系数当工作应力处于当工作应力处于疲劳安全区疲劳安全区时时
15、首先发生疲劳破坏首先发生疲劳破坏2021/9/2327当工作应力处于塑性安全区时当工作应力处于塑性安全区时首先发生塑性破坏首先发生塑性破坏2021/9/23282.2.解析法求安全系数解析法求安全系数工作点位于疲劳安全区时工作点位于疲劳安全区时 AEAE直线方程直线方程2021/9/2329由几何关系化简由几何关系化简2021/9/2330按应力幅求安全系数按应力幅求安全系数2021/9/2331对于位于塑性安全区，按照对于位于塑性安全区，按照 =常常数进行加载的机械零件，其安全系数的数进行加载的机械零件，其安全系数的计算公式为：计算公式为：2021/9/23323.6 3.6 线性疲劳损伤积
16、累假说及其应用线性疲劳损伤积累假说及其应用3.6.1 3.6.1 稳定变应力和非稳定变应力稳定变应力和非稳定变应力2021/9/23332021/9/2334疲劳损伤积累图2021/9/23353.6.23.6.2线性疲劳损伤积累假说线性疲劳损伤积累假说-零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件的寿命都受到微量的损伤力的作用都会使零件的寿命都受到微量的损伤,当当损伤积累到一定的时候将产生疲劳断裂。损伤积累到一定的时候将产生疲劳断裂。疲劳损伤率：疲劳损伤率：2021/9/23363.6.3 3.6.3 非稳定变应力下安全系数的计算方法非稳
17、定变应力下安全系数的计算方法对于非稳定变应力作用下的疲劳强度计算问对于非稳定变应力作用下的疲劳强度计算问题，首先要将非稳定变应力折算成一个等效题，首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力变应力 ，然后按稳定变应力的安全系数计，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。算方法进行计算。等效应力等效应力 通常取非稳定变应力中作用时通常取非稳定变应力中作用时间最长，或发挥的疲劳作用最大的应力。间最长，或发挥的疲劳作用最大的应力。2021/9/2337假设应力假设应力 作用作用 次对零件的损伤作用等于等效应力次对零件的损伤作用等于等效应力 单独作单独作用用 次所产生的损伤作用。则有关系式：次所产生的
18、损伤作用。则有关系式：2021/9/2338规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤-取等效应力取等效应力 v v-求等效循环次数求等效循环次数-求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限-按等效应力计算疲劳强度和安全系数按等效应力计算疲劳强度和安全系数-按最大非稳定变应力计算塑性材料屈按最大非稳定变应力计算塑性材料屈 服强度安全系数服强度安全系数2021/9/2339例例3-1 3-1 已知已知 试绘制此材料的试绘制此材料的 极限应力图。极限应力图。解：要绘制材料的解：要绘制材料的 极限应力图，必须知道极限应力图，必须知道 外
19、，外，还应该确定还应该确定 的值。的值。2021/9/2340例例3-2 3-2 一个由一个由40Cr40Cr制成的零件，已知制成的零件，已知 =185MPa,=185MPa,=-75 MPa,=-75 MPa,表面抛光表面抛光 ，=1.3 =1.3，=0.9 =0.9，材料的，材料的抗拉强度极限抗拉强度极限 =750MPa =750MPa，屈服极限，屈服极限 =550MPa =550MPa，疲劳，疲劳极限极限 =351MPa =351MPa。计算此零件的安全系数。计算此零件的安全系数 是多少是多少？=130MPa=55 MPa 等效系数等效系数 =0.3 =0.3（合金钢（合金钢=0.20.
20、3=0.20.3）取取 =1 =12021/9/2341=1.722021/9/2342例例3-3 453-3 45钢经过调质处理后的性能为：钢经过调质处理后的性能为：-1-1=307MPa=307MPa，mm=9=9，N N0 0=510=5106 6。现用此材料作试件进行试验，以对称循环变应力。现用此材料作试件进行试验，以对称循环变应力 1 1=500MPa=500MPa作用作用10104 4次，次，2 2=400MPa=400MPa作用作用10105 5次，试计算该试次，试计算该试件在此条件下的安全系数。若以后再以件在此条件下的安全系数。若以后再以 3 3=350MPa=350MPa作用
21、于试件，作用于试件，循环多少次才能使试件发生破坏？循环多少次才能使试件发生破坏？解：取解：取 则：=104+=2.3421041.814（对称循环），（对称循环），（标准试件）（标准试件）,2021/9/2343假设再以假设再以 作用次导致试件发生破坏，根据疲劳作用次导致试件发生破坏，根据疲劳损伤积累假说有：损伤积累假说有：得到：得到：说明再加上说明再加上 作用，还能循环作用，还能循环 次次。2021/9/2344作业作业2-1 2-4 2-9 2-14 2-21 2-23 2-262021/9/2345复习思考题复习思考题1 1、零件的疲劳断裂过程分为哪几个过程？断裂面有何、零件的疲劳断裂过
22、程分为哪几个过程？断裂面有何特点？何谓疲劳极限？特点？何谓疲劳极限？3 3、什么叫疲劳曲线？分为哪几个区？、什么叫疲劳曲线？分为哪几个区？Kn,NKn,N0 0,m,r,m,r的的几何意义及如何确定？几何意义及如何确定？r r对对 rNrN如何影响？如何影响？4 4、什么是极限应力图？如何绘制简化？、什么是极限应力图？如何绘制简化？5 5、影响零件疲劳强度的主要因素有哪些？如何加以修、影响零件疲劳强度的主要因素有哪些？如何加以修正？铸铁件为何不考虑应力集中？高强度钢零件为何正？铸铁件为何不考虑应力集中？高强度钢零件为何表面要求加工质量较高？综合影响系数如何定义？它表面要求加工质量较高？综合影响
23、系数如何定义？它只影响什么？只影响什么？6 6、何谓稳定变应力、非稳定变应力？怎样对随机非稳、何谓稳定变应力、非稳定变应力？怎样对随机非稳定变应力进行处理？定变应力进行处理？2021/9/23467 7、如何在材料的极限应力图中绘制零件的极限应、如何在材料的极限应力图中绘制零件的极限应力图？应力增长规律有哪几种？力图？应力增长规律有哪几种？8 8、零件的极限应力图中的塑性安全区及疲劳安全、零件的极限应力图中的塑性安全区及疲劳安全区如何划分？每个区中的安全系数如何计算？区如何划分？每个区中的安全系数如何计算？9 9、什么是疲劳损伤积累假说？规律性非稳定变应、什么是疲劳损伤积累假说？规律性非稳定变应力作用下零件的安全系数如何计算？力作用下零件的安全系数如何计算？2021/9/2347SEMINAR TOPIC为什么说零件的疲劳过程、疲劳强度、疲劳计算是机械设计课程考虑的一个重要问题？2021/9/2348