第三章机械零件的疲劳强度(精品).ppt

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1、第第3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度机 械 设 计第3章 机械零件的疲劳强度机械设计机械设计第3章 机械零件的疲劳强度机械设计机械设计第第3 3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度3.1 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效3.1.1 疲劳失效疲劳失效1)现象现象：零件工作一段时间后发生破坏(象人疲劳象人疲劳)2)机理机理：交变应力作用零件表面萌生微观裂纹裂纹扩展截面应力实际实际S突然断裂裂纹源粗糙区光滑区3.1.1 疲劳失效疲劳失效3.1.1 疲劳失效疲劳失效3)特点：特点：（1）工作应力最大值小于屈服强度，零件工作一段时间后发生断裂（工作寿命）（工作寿命）粗糙区光滑区（2

2、）应力大，寿命短；应力小，寿命长（3）破坏断面上有光滑区和粗糙区3.1.1 疲劳失效疲劳失效4）根源：交变应力3.1.2 交变应力交变应力K3.1.2 交变应力交变应力每转一转，轴上任一点上每转一转，轴上任一点上的应力经过：的应力经过：00 max 0 0 0 0的一次循环变化过程的一次循环变化过程3.1.2 交变应力交变应力 minmin 产生的原因：产生的原因：（1）零件受交变载荷作用。（2）（或）载荷不变，而零件在转动 1）交变应力）交变应力-随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力3.1.2 交变应力交变应力2）应力循环特征及术语）应力循环特征及术语（1 1）应力循环应力循环

3、-应力每重复变化一次（称作（称作一次循环）一次循环）。（3）应力循环曲线应力循环曲线 -应力与时间的关系曲线。（2 2）应力循环次数应力循环次数 -应力重复变化的次数3.1.2 交变应力交变应力2 2）应力循环特征及术语）应力循环特征及术语(4(4）平均应力：平均应力：(6）应力循环特征应力循环特征 (5(5）应力幅：应力幅：表示变应力不同的变化规律，-1 r 1 3.1.2 交变应力交变应力3 3）常见的交变应力规律常见的交变应力规律(1(1）对称循环）对称循环 max =-=-min r=-1=-1 3.1.2 交变应力交变应力3 3）常见的交变应力规律常见的交变应力规律(2)(2)脉动循

4、环脉动循环 max 0 min=0 r=03.1.2 交变应力交变应力3 3）常见的交变应力规律常见的交变应力规律(3)(3)静应力静应力 max=min=m r=13.1.2 交变应力交变应力(4)小结小结 r由：由：-1 1 交变应力交变应力 静应力静应力平均应力影响静强度平均应力影响静强度应力幅影响疲劳强度应力幅影响疲劳强度3.1.2 交变应力交变应力3 3）常见的交变应力规律常见的交变应力规律第3章 机械零件的疲劳强度机械设计机械设计第第3 3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度3.2 疲劳强度的基本理论3.2.1 N 疲劳曲线疲劳曲线 某某一一循循环环特特征征下下极极限限应应力

5、力与与循循环环次次数数（寿寿命命）的关系曲线的关系曲线N试件的总循环次试件的总循环次数数r N 与试件寿命对与试件寿命对应的极限应力应的极限应力r循环特征系数循环特征系数3.2.1 N 疲劳曲线1）讨论）讨论（1 1）尺寸一定，）尺寸一定，、寿命、寿命（2 2）当）当 NNN0 0，曲线趋于水平，曲线趋于水平 r持久极限(材料重要指标)N0循环基数（金属材料一般N0 =107）3.2.1 N 疲劳曲线2）疲劳曲线方程疲劳曲线方程当当NN0时，近似有：时，近似有：mr N N=mr N 0=Cm随材料而不同的指数随材料而不同的指数3）疲劳疲劳极限极限(应力应力)计算：计算：3.2.1 N 疲劳曲

6、线寿命系数3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）横坐标横坐标 m的极限应力的极限应力纵坐标纵坐标 a的极限应力的极限应力r值不同时的等寿命疲劳曲线1）应力图分析m极限为0,(1)A点坐标：为对称循环疲劳强度的极限a极限为-1,r=-13.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）1）应力图分析 a极限为0,(2)C点坐标：为静应力的强度极限 m极限为 S,r=13.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）1）应力图分析 a极限=m极限(3)(3)D 点坐标：脉动循环疲劳强度的极限m极限为0/2 a极限为 0/2r=03.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）1）应力图分析小结：小结：材料

7、在不同的循环特征（材料在不同的循环特征（r）下，极限应力不同）下，极限应力不同问题：问题：不同的循环特征下的极限应力如何计算不同的循环特征下的极限应力如何计算3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）2）应力图简化连A D 过C点向左上方做45射线过C点的45射线与A D 连连线交于线交于GG 点点以直线代替曲线(1）A DG疲劳极限线 (2）GC屈服极限线疲劳极限线疲劳极限线屈服屈服极限线3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）2）应力图简化根据r值的不同，分为：(1）A DG疲劳极限线(2）GC屈服极限线A OG疲劳安全区GOC塑性安全区（疲劳强度）（静强度）疲劳安全区塑性安全区AO

8、CG为工作应力安全区3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）2）应力图简化用A G直线方程近似为疲劳极限方程(1）A DG疲劳极限线（疲劳强度）(2）GC屈服极限线（静强度）(3)由A G直线可推得：材料常数可由试验得出 -可理解为把平均应力折算为当量的对称循环应力的折算系数 3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）1)影响零件持久极限的因素影响零件持久极限的因素(1(1）零件外形的影响零件外形的影响-应力集中影响在零件截面形状和尺寸突变处，如阶梯轴的轴肩圆角、开孔、切槽等处，将出现应力集中现象，即局部应力远远大于一般理论公式计算的数值，应力集中不仅容易形成初始的疲劳裂纹，而且会促使裂

9、纹的扩展。用有效应力集中系数k(k)来度量 零件的持久极限？零件的持久极限？与试件有差别吗？与试件有差别吗？3.2.3 机械零件的持久极限计算r持久极限(材料重要指标)1)影响零件持久极限的因素影响零件持久极限的因素(1(1）零件外形的影响零件外形的影响-应力集中影响(2(2）零件尺寸的影响零件尺寸的影响 用有效应力集中系数k(k)来度量 疲劳试验结果表明，随试疲劳试验结果表明，随试件直径的增加，持久极限件直径的增加，持久极限将下降。主要原因为零件将下降。主要原因为零件的尺寸越大，所包含的缩的尺寸越大，所包含的缩孔、裂纹、夹杂物越多，孔、裂纹、夹杂物越多，出现裂纹的几率也越大。出现裂纹的几率也

10、越大。用尺寸系数()来度量3.2.3 机械零件的持久极限计算r持久极限(材料重要指标)1)影响零件持久极限的因素影响零件持久极限的因素(1(1）零件外形的影响零件外形的影响-应力集中影响(2(2）零件尺寸的影响零件尺寸的影响(3(3）零件表面加工质量的影响零件表面加工质量的影响 用有效应力集中系数k(k)来度量 用尺寸系数()来度量疲劳破坏一般起源于零疲劳破坏一般起源于零件的表面，粗糙的机械件的表面，粗糙的机械加工，会使零件表面出加工，会使零件表面出现深浅不同的刀痕、擦现深浅不同的刀痕、擦伤等表面缺陷，形成初伤等表面缺陷，形成初始微裂纹，引起应力集始微裂纹，引起应力集中，当应力较大时，裂中，当

11、应力较大时，裂纹首先从这里开始扩展。纹首先从这里开始扩展。随着表面加工质量的提高，随着表面加工质量的提高，零件的持久极限将提高。零件的持久极限将提高。用表面质量系数()来度量3.2.3 机械零件的持久极限计算r持久极限(材料重要指标)1)影响零件持久极限的因素影响零件持久极限的因素(1(1）零件外形的影响零件外形的影响-应力集中影响(4)零件表面强化零件表面强化(2(2）零件尺寸的影响零件尺寸的影响(3(3）零件表面加工质量的影响零件表面加工质量的影响 用有效应力集中系数k(k)来度量 用尺寸系数()来度量用表面质量系数()来度量用零件的强化系数q来度量3.2.3 机械零件的持久极限计算 2)

12、零件的弯曲疲劳持久极限零件的弯曲疲劳持久极限(-1e)K-弯曲疲劳极限的综合影响系数引入综合影响系数K K ，综合考虑零件外形、尺寸、表面加工质量表面强化等因素的影响K-剪切疲劳极限的综合影响系数（式3-14b）r=-1r=-1时材料的时材料的持久极限持久极限3.2.3 机械零件的持久极限计算 强度计算的核心内容：承载能力的裕量承载能力的裕量即：即：或：或：1)强度的概念强度的概念比值越大强度越大比值越大强度越大3.2.4 机械零件的疲劳强度计算(1)引言2)单向稳定变应力时单向稳定变应力时 的计算在进行机械零件的疲劳强度计算时，首先要计算出机械零件危险截面上的最大工作应力max 及最小工作应

13、力min，由此计算出工作平均应力m及工作应力幅a。这样在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于m及a的一个工作应力点M（或者点N）3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算(1)引言2)单向稳定变应力时单向稳定变应力时 的计算在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于m及a的一个工作应力点M（或者点N）3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算(1)引言2)单向稳定变应力时单向稳定变应力时 的计算显然，与显然，与M(N)M(N)点对应的极限应力应是点对应的极限应力应是AGCAGC线上的某线上的某一个点所代表的应力。一个点所代表的应力。3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械

14、零件的疲劳强度计算 具体是哪一个点，这要根据零件中由于结构的约具体是哪一个点，这要根据零件中由于结构的约束而使应力可能发生的变化规律来决定。束而使应力可能发生的变化规律来决定。2)单向稳定变应力时的计算单向稳定变应力时的计算r=Cr=C mmC C minminC C 3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算(2)三种典型应力变化规律(2)r=C r=C时的极限应力计算时的极限应力计算 2)单向稳定变应力时单向稳定变应力时的计算联解OM1、AG两直线方程：计算安全系数及强度条件：-*常作为轴的弯曲疲劳强度条件如r=-1、r=0、r=13.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的

15、疲劳强度计算3)3)双双向稳定变应力时的计算向稳定变应力时的计算应力关系式为：应力关系式为：M点的计算安全系数：(1)(1)同时有对称循环的弯曲、扭转应力同时有对称循环的弯曲、扭转应力试验得到的极限应力图试验得到的极限应力图 零件的极限应力零件的极限应力设M点为某一实际作用的应力 推导可得：与M点对应的极限应力为M3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算3)双双向稳定变应力时向稳定变应力时的计算(1)(1)同时作用有对称循环的弯曲、扭转应力同时作用有对称循环的弯曲、扭转应力推导可得：3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算3)双向稳定变应力时双向稳定变应力时的计

16、算计算安全系数：(2)(2)当当同时作用的为非对称循环变应力：同时作用的为非对称循环变应力：3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算3)双向稳定变应力时双向稳定变应力时的计算计算安全系数：(2)(2)当当同时作用的为非对称循环变应力：同时作用的为非对称循环变应力：综合安全系数综合安全系数弯曲疲劳安全系数弯曲疲劳安全系数扭转疲劳安全系数扭转疲劳安全系数应用：转轴的疲劳强度精确校核应用：转轴的疲劳强度精确校核 3.2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算提示：=n三、三、绘制某零件的极限应力线图。已知 S=400 MPa，-1=270 MPa，=0.25，K=1.85。

17、该零件承受m=80 MPa 的脉动循环变应力，描绘其工作应力点，说明是否安全。解：0=2-1/（1+）=2270/(1+0.25)=432 N/mm 20/2=432/2=216 MPa-1/K=270/1.85=145.9 MPa0/2K=432/21.85=116.7 MPa零件的极限应力线图如右图所示，M为工作应力点，安全。作业作业1、图示夹钳弓架的材料为、图示夹钳弓架的材料为45钢，已知尺寸钢，已知尺寸为：为：a=65 mm，b=16mm，h=50mm，试，试按弓架强度计算夹钳所能承受的最大夹紧力按弓架强度计算夹钳所能承受的最大夹紧力F（取安全系数（取安全系数S=2），并绘出应力分布图。），并绘出应力分布图。2、一一对对齿齿轮轮作作单单向向传传动动，试试问问：（1）轮轮齿齿弯弯曲曲应应力力可可看看成成哪哪类类循循环环变变应应力力？（2）两两轮轮齿齿齿齿数数为为Z1=19，Z2=80,小小齿齿轮轮主主动动，转转速速n1=200 r/min，预预定定使使用用期期限限为为500h，在在使使用用期期限限终终了了时时，大大齿齿轮轮应应力力循循环环总总次次数数N是是多多少少？（3）设设大大齿齿轮轮材材料料疲疲劳劳极极限限为为-1，循循环环基基数数N0=107，那那么么与与总总循循环环次次数数N对对应应的的疲疲劳劳极极限限能能比比-1 提高到多少？提高到多少？