第三章.機械零件的疲勞強度

第三章機械零件的疲勞強度,31疲勞斷裂的特征,疲勞強度計算方法：1、安全壽命設計2、破損安全設計,一、失效形式：疲勞斷裂,二、疲勞破壞特征：,1、斷裂過程：產生初始裂紋（應力較大處）裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，直至產生疲勞裂紋。2、斷裂面：光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）,3、無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4、破壞時的應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限,三、疲勞破壞的機理：損傷的累積四、影響因素：不僅與材料性能有關，變應力的循環(huán)特性，應力循環(huán)次數，應力幅（應力集中、表面狀態(tài)、零件尺寸）都對疲勞極限有很大影響。,32材料的疲勞曲線和極限應力圖,疲勞極限，循環(huán)變應力下應力循環(huán)N次后,材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限,疲勞壽命（N）材料疲勞失效前所經歷的應力循環(huán)次數,疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數之間關系的曲線,一、疲勞曲線,No循環(huán)基數持久極限,1、有限壽命區(qū)當N25x107時,近似為無限壽命區(qū),m指數與應力與材料的種類有關。鋼m=9拉、彎應力、剪應力m=6接觸應力青銅m=9彎曲應力m=8接觸應力,應力循環(huán)特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強度越有利。對稱循環(huán)（應力循環(huán)特性=-1）最不利,二、材料的疲勞極限應力圖,對任何材料（標準試件）而言，對不同的應力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即每種應力循環(huán)特性下都對應著該材料的最大應力，再由應力循環(huán)特性可求出和、,以為橫坐標、為縱坐標，即可得材料在不同應力循環(huán)特性下的極限和的關系圖,同一種材料在不同的應力循環(huán)特性下的疲勞極限圖，此時N=N0,曲線上的點對應著不同應力循環(huán)特性下的材料疲勞極限：,A對稱疲勞極限點B脈動疲勞極限點S屈服極限點F強度極限點,對稱極限點強度極限點脈動疲勞極限點屈服極限點簡化極限應力線圖：簡化極限應力圖作法：考慮材料的最大應力不超過疲勞極限，得及延長線考慮塑性材料的最大應力不超過屈服極限，得,上各點：如果不會疲勞破壞上各點：如果不會屈服破壞,ABES折線以內為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應力點離折線越遠，安全程度愈高。,材料的簡化極限應力線圖，可根據材料的和三個試驗數據和而作出,33影響機械零件疲勞強度的主要因素,由于實際機械零件與標準試件之間在絕對尺寸、表面狀態(tài)、應力集中、環(huán)境介質等方面往往有差異，這些因素的綜合影響使零件的疲勞極限不同于材料的疲勞極限，其中尤以應力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項因素對機械零件的疲勞強度影響最大。,一、應力集中的影響有效應力集中系數,零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔等）要產生應力集中，對應力集中的敏感程度與零件的材料有關，一般材料強度越高，硬度越高，對應力集中越敏感,材料對應力集中的敏感系數,為考慮零件幾何形狀的理論應力集中系數,二、零件尺寸的影響尺寸系數,由于零件尺寸愈大時，材料的晶粒較粗，出現缺陷的概率大，而機械加工后表面冷作硬化層相對較薄，所以對零件疲勞強度的不良影響愈顯著,三、表面狀態(tài)的影響,表面狀態(tài)系數,零件加工的表面質量（主要指表面粗糙度）對疲勞強度的影響,鋼的越高，表面愈粗糙，愈低,四、綜合影響系數,應力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應力幅有影響，而對平均應力無影響試驗而得,故計算時，零件的工作應力副要乘以綜合影響系數，或則材料的極限應力副要除以綜合影響系數,34許用疲勞極限應力圖,隨機變應力,一、穩(wěn)定變應力和非穩(wěn)定變應力,穩(wěn)定變應力平均應力、應力幅和周期都不隨時間變化的變應力,非穩(wěn)定變應力若平均應力、應力幅和周期中只要有一個隨時間變化的變應力,非穩(wěn)定變應力,規(guī)律性非穩(wěn)定變應力,二、許用疲勞極限應力圖,由于只對有影響，而對無影響，在材料的極限應力圖ABES上幾個特殊點以坐標計入影響,零件脈動循環(huán)疲勞點,零件對稱循環(huán)疲勞點,AE許用疲勞極限曲線，ES屈服極限曲線,直線AB方程:,直線ES方程：,三、工作應力的增長規(guī)律,1、簡單加載規(guī)律,2、復雜加載規(guī)律,E,35穩(wěn)定變應力時安全系數的計算,一、單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,四、單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,1、大多數轉軸中的應力狀態(tài),過原點與工作應力點M或N作連線交ABES于M和N點，由于直線上任一點的應力循環(huán)特性均相同,M和N點即為所求的極限應力點,a)當工作應力點位于OAE內,極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算,零件的極限應力，疲勞極限：,強度條件為：,b)工作應力點位于OES內,極限應力為屈服極限，,按靜強度計算：,2、振動中的受載彈簧的應力狀態(tài),需在極限應力圖上找一個其平均應力與工作應力相同的極限應力，如圖，過工作應力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AGC于M（N）點，即為極限應力點,a)當工作應力點位于OAEH區(qū)域,極限應力為疲勞極限,強度條件：,b）工作應力點位于GHC區(qū)域,極限應力為屈服極限,強度條件為：,3、變軸向變載荷的緊螺栓聯接中的螺栓應力狀態(tài),過工作應力點M（N）作與橫坐標成45的直線，則這直線任一點的最小應力均相同，直線與極限應力線圖交點即為所求極限應力點。,a)工作應力點位于OJEI區(qū)域內,求AE與MM的交點:,強度條件:,極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算,c）工作應力位于OAJ區(qū)域內,b)工作應力點位于IGC區(qū)域,極限應力為屈服極限按靜強度計算,極限應力點為,靜強度條件,為負值，工程中罕見，故不作考慮。,5）等效應力幅,注意：,1）若零件所受應力變化規(guī)律不能肯定，一般采用=C的情況計算,2）上述計算均為按無限壽命進行零件設計，若按有限壽命要求設計零件時，即應力循環(huán)次數103(104)NNo時，這時上述公式中的極限應力應為有限壽命的疲勞極限即應以-1N代-1，以oN代o,3）當未知工作應力點所在區(qū)域時，應同時考慮可能出現的兩種情況,4）對切應力上述公式同樣適用，只需將改為即可。,二、復合應力狀態(tài)時的疲勞強度計算,1、塑性材料1）疲勞強度安全系數a：,按第三強度理論,按第四強度理論,2）屈服強度安全系數,2.脆性材料與低塑性材料,b：,六、規(guī)律性非穩(wěn)定變應力時零件的疲勞強度疲勞累計假說圖3.22設i為當循環(huán)特性為r時各個循環(huán)的最大應力,Ni為各應力相對應的積累循環(huán)次數,Ni為與各應力相對應的材料發(fā)生疲勞破壞時的極限循環(huán)次數在每一次應力作用下,零件壽命就要受到微量的疲勞損傷,當疲勞損傷積累到一定程度達到疲勞壽命極限時便發(fā)生疲勞斷裂.壽命損傷率：,理論上F=1,但實驗表明F=(0.72.2