机械设计基础疲劳优秀PPT.ppt

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1、机械设计基础疲劳你现在浏览的是第一页，共38页第六章第六章第六章第六章 疲疲疲疲 劳劳劳劳61 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效63 持久极限持久极限62 交变应力循环特征、应力幅和平均应力交变应力循环特征、应力幅和平均应力64 影响持久极限的因素影响持久极限的因素你现在浏览的是第二页，共38页6161 交变应力的概念交变应力的概念交变应力的概念交变应力的概念一、交变应力一、交变应力(Alternating stress)Alternating stress)构件内一点处的应力随时间作周期性变化构件内一点处的应力随时间作周期性变化构件内一点处的应力随时间作周期性变化构件内一点处的应力随时间

2、作周期性变化,这种应力称为交变应力这种应力称为交变应力这种应力称为交变应力这种应力称为交变应力.APt你现在浏览的是第三页，共38页二、产生的原因二、产生的原因二、产生的原因二、产生的原因例题例题例题例题1 1 一简支梁在梁中间部分固接一电动机一简支梁在梁中间部分固接一电动机一简支梁在梁中间部分固接一电动机一简支梁在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的由于电动机的由于电动机的由于电动机的重力作用产生静弯曲变形重力作用产生静弯曲变形重力作用产生静弯曲变形重力作用产生静弯曲变形,当电动机工作时当电动机工作时当电动机工作时当电动机工作时,由于转子的偏心而引起离由于转子的偏心而引起离由于转子的偏心而引

3、起离由于转子的偏心而引起离心惯性力心惯性力心惯性力心惯性力.由于离心惯性力的垂直分量随时间作由于离心惯性力的垂直分量随时间作由于离心惯性力的垂直分量随时间作由于离心惯性力的垂直分量随时间作周期性的变化周期性的变化周期性的变化周期性的变化,梁产生交变应力梁产生交变应力梁产生交变应力梁产生交变应力.1 1、载荷做周期性变化、载荷做周期性变化 2 2、载荷不变、载荷不变、载荷不变、载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化构件点的位置随时间做周期性的变化构件点的位置随时间做周期性的变化构件点的位置随时间做周期性的变化 你现在浏览的是第四页，共38页静平衡位置静平衡位置tt st max min你现在

4、浏览的是第五页，共38页例题例题例题例题2 2 火车轮轴上的力来自车箱火车轮轴上的力来自车箱火车轮轴上的力来自车箱火车轮轴上的力来自车箱.大小大小大小大小,方向基本不变方向基本不变方向基本不变方向基本不变.即弯矩基本不变即弯矩基本不变即弯矩基本不变即弯矩基本不变.PP横截面上横截面上横截面上横截面上 A A点到中性轴的距点到中性轴的距点到中性轴的距点到中性轴的距离却是随时间离却是随时间离却是随时间离却是随时间 t t 变化的变化的变化的变化的.假设轴以匀角速度假设轴以匀角速度假设轴以匀角速度假设轴以匀角速度 转动转动转动转动.tzAA A的弯曲正应力为的弯曲正应力为的弯曲正应力为的弯曲正应力为

5、 是随时间是随时间是随时间是随时间 t t 按正弦曲线变化的按正弦曲线变化的按正弦曲线变化的按正弦曲线变化的t 1 2 3 4 1O你现在浏览的是第六页，共38页交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异,故故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同.下图为交变应力下具有代表性的正应力下图为交变应力下具有代表性的正应力下图为交变应力下具有代表性的正应力下图为交变应力下具有代表性的正应力时间曲线时间曲线时间曲线时间曲线.三三.交变应力的循环特征、应力幅和平均应力交变应力的循环特征、应力幅和平均应力你现在

6、浏览的是第七页，共38页一个应力循环一个应力循环(一一)、基本参数、基本参数应力每重复变化一次应力每重复变化一次应力每重复变化一次应力每重复变化一次,称称称称为一个为一个为一个为一个应力循环应力循环应力循环应力循环O t在拉在拉在拉在拉,压或弯曲交变应力下压或弯曲交变应力下压或弯曲交变应力下压或弯曲交变应力下在扭转交变应力下在扭转交变应力下在扭转交变应力下在扭转交变应力下 max min最小应力和最大应力的比值称为最小应力和最大应力的比值称为最小应力和最大应力的比值称为最小应力和最大应力的比值称为循环特征循环特征循环特征循环特征.用用用用r r 表示表示表示表示.1.1.1.1.应力循环应力循

7、环应力循环应力循环2.2.2.2.循环特征循环特征循环特征循环特征你现在浏览的是第八页，共38页3 3 3 3、应力幅、应力幅、应力幅、应力幅(Stress amplitude)(Stress amplitude)最大应力和最小应力的最大应力和最小应力的最大应力和最小应力的最大应力和最小应力的差值的的二分之一差值的的二分之一差值的的二分之一差值的的二分之一,称为交称为交称为交称为交变应力的变应力的变应力的变应力的 应力幅应力幅应力幅应力幅.用用用用 a 表示表示表示表示O一个应力循环一个应力循环 t max min a a4 4 4 4、平均应力、平均应力、平均应力、平均应力最大应力和最小应力

8、代数和的一半最大应力和最小应力代数和的一半最大应力和最小应力代数和的一半最大应力和最小应力代数和的一半,称为交变应力的称为交变应力的称为交变应力的称为交变应力的 平均应力平均应力平均应力平均应力.用用用用 mm表示表示表示表示.你现在浏览的是第九页，共38页(二二二二)、交变应力的分类、交变应力的分类、交变应力的分类、交变应力的分类 1 1 1 1、对称循环、对称循环、对称循环、对称循环在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号.O max min t minmin=-

9、=-maxmax或或或或 minmin=-=-maxmaxr r=-1=-1 时的交变应力时的交变应力时的交变应力时的交变应力,称为称为称为称为对对对对称循环称循环称循环称循环 交变应力交变应力交变应力交变应力.你现在浏览的是第十页，共38页（1 1）若）若）若）若 非对称循环交变应力中的最小应力等于零（非对称循环交变应力中的最小应力等于零（非对称循环交变应力中的最小应力等于零（非对称循环交变应力中的最小应力等于零（min）r r=0=0 的交变应力的交变应力的交变应力的交变应力,称为称为称为称为脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环 交变应力交变应力交变应力交变应力 时的交变应力时的交变应力时的交

10、变应力时的交变应力,称为称为称为称为非对称循环非对称循环非对称循环非对称循环 交变应力交变应力交变应力交变应力.O max min=0 t2.2.2.2.非对称循环非对称循环非对称循环非对称循环你现在浏览的是第十一页，共38页（2 2）r r 0 0 为同号应力循环为同号应力循环为同号应力循环为同号应力循环;r r 0 20203030 0.910.91 0.830.83 0.890.89 30304040 0.880.88 0.770.77 0.810.81 40405050 0.840.84 0.730.73 0.780.78 50506060 0.810.81 0.700.70 0.76

11、0.76 60607070 0.780.78 0.680.68 0.740.74 7070 8080 0.750.75 0.660.66 0.730.73 8080100100 0.730.73 0.640.64 0.720.72 100100120120 0.700.70 0.620.62 0.700.70 120120150150 0.680.68 0.600.60 0.680.68 1501505 50000 0.600.60 0.540.54 0.600.60 表表表表1 1 尺寸系数尺寸系数尺寸系数尺寸系数你现在浏览的是第三十二页，共38页三、构件表面状态的影响三、构件表面状态的影响

12、(the effect of member surface state)the effect of member surface state)实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响,这是因为不这是因为不这是因为不这是因为不同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中.若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处

13、理若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理,其持久极限也其持久极限也其持久极限也其持久极限也就得到提高就得到提高就得到提高就得到提高.表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表面质量对持久极限的影响用表面状态系数 表示表示表示表示其他加工情况的构件的其他加工情况的构件的其他加工情况的构件的其他加工情况的构件的持久极限持久极限持久极限持久极限表面磨光的试件的持久表面磨光的试件的持久表面磨光的试件的持久表面磨光的试件的持久极限极限极限极限你现在浏

14、览的是第三十三页，共38页 综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限b b为表面状态系数为表面状态系数为表面状态系数为表面状态系数为有效应力集中系数为有效应力集中系数为有效应力集中系数为有效应力集中系数为尺寸系数为尺寸系数为尺寸系数为尺寸系数为表面磨光的光滑小试件的持久极限为表面磨光的光滑小试件的持久极限为表面磨光的光滑小试件的持久极限为表面磨光的光滑小试件的持久极限 如果循环应力为剪应力如果循环应力为剪应力如果循环应力为剪应力

15、如果循环应力为剪应力,将上述公式中的正应力换为剪应力即可将上述公式中的正应力换为剪应力即可将上述公式中的正应力换为剪应力即可将上述公式中的正应力换为剪应力即可.对称循环下对称循环下对称循环下对称循环下,r r=-1.1.上述各系数均可查表而得上述各系数均可查表而得上述各系数均可查表而得上述各系数均可查表而得.你现在浏览的是第三十四页，共38页提高构件疲劳强度的途径提高构件疲劳强度的途径 所所所所谓谓谓谓提提高高疲疲劳劳强强度度，通通常常是是指指在在不不改改变变构构件件的的基基本本尺尺寸寸和和材材料料的的前前提提下下，通通过过减减小小应应力力集集中中和和改改善善表表面面质质量量，以以提提高高构构

16、件件的的疲疲劳劳极极限限。通通常常有有以以下下一一些途径：些途径：缓和应力集中缓和应力集中：截截面面突突变变处处的的应应力力集集中中是是是是产产产产生生生生裂裂裂裂纹纹纹纹以以以以及及及及裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展的的的的重重重重要要要要原原原原因因因因，通通通通过过过过适适适适当当当当加加加加大大大大截截截截面面面面突突突突变变变变处处处处的的的的过过过过渡渡渡渡圆圆圆圆角角角角以以以以及及及及其其其其它它它它措措措措施施施施，有有有有利利利利于于于于缓缓缓缓和和和和应应应应力力力力集集集集中中中中，从从从从而而而而可可可可以以以以明明明明显显显显地地地地提提提提高高高高构构构构件件件

17、件的的的的疲劳强度。疲劳强度。疲劳强度。疲劳强度。你现在浏览的是第三十五页，共38页 提高构件表面层质量提高构件表面层质量：在在应应力力非非均均匀匀分分布布的的情情形形（例例如如弯弯曲曲和和扭扭转转）下下，疲疲劳劳裂裂纹纹大大都都从从构构件件表表面面开开始始形形成成和和扩扩展展。因因此此，通通过过机机械械的的或或化化学学的的方方法法对对构构件件表表面面进进行行强强化化处处理理，改改善善表表面面层层质质量量，将使构件的疲劳强度有明显的提高。将使构件的疲劳强度有明显的提高。你现在浏览的是第三十六页，共38页 表表面面热热处处理理和和化化学学处处理理（例例如如表表面面高高频频淬淬火火、渗渗碳碳、渗渗

18、氮氮和和氰氰化化等等），冷冷压压机机械械加加工工（例例如如表表面面滚滚压压和和喷丸处理等），都有助于提高构件表面层的质量。喷丸处理等），都有助于提高构件表面层的质量。这这些些表表面面处处理理，一一方方面面可可以以使使构构件件表表面面的的材材料料强强度度提提高高；另另一一方方面面可可以以在在表表面面层层中中产产生生残残余余压压应应力力，抑抑制制疲疲劳劳裂纹的形成和扩展。裂纹的形成和扩展。提高构件表面层质量提高构件表面层质量：你现在浏览的是第三十七页，共38页 喷喷丸丸处处理理方方法法，近近年年来来得得到到广广泛泛应应用用，并并取取得得了了明明显显的的效效益益。这这种种方方法法是是将将很很小小的的钢钢丸丸、铸铸铁铁丸丸、玻玻璃璃丸丸或或其其它它硬硬度度较较大大的的小小丸丸以以很很高高的的速速度度喷喷射射到到构构件件表表面面上上，使使表表面面材材料料产产生生塑塑性性变变形形而而强强化化，同同时产生较大的残余压应力。时产生较大的残余压应力。提高构件表面层质量提高构件表面层质量：你现在浏览的是第三十八页，共38页