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1、*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1第第3章章 機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的強(qiáng)度3-1材料的疲勞特性 3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 3-3機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度 3-4機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度 *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、應(yīng)力的種類一、應(yīng)力的種類 t= =常數(shù)常數(shù)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r =0靜應(yīng)力靜應(yīng)力: = =常數(shù)常數(shù)變應(yīng)力變應(yīng)力: 隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化2minmaxm平均應(yīng)力平均應(yīng)力:2minmaxa應(yīng)力幅應(yīng)力幅:循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力的循環(huán)特性變應(yīng)力的循環(huán)特性:maxminr對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r =- -1脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力
2、對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 -1= 0= 0 +1 +1 靜應(yīng)力靜應(yīng)力maxmTmaxminaamtmaxminaattaaminr =+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例3-1材料的疲勞特性 *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3潘存云教授研制循環(huán)應(yīng)力下,零件的主要失效形式是循環(huán)應(yīng)力下,零件的主要失效形式是疲勞斷裂疲勞斷裂。斷口通常斷口通常沒有顯著的塑性變形沒有顯著的塑性變形。不論是脆性材料,還是。不論是脆性材料,還是塑性材料,均表現(xiàn)為脆性斷裂。塑性材料,均表現(xiàn)為脆性斷裂。更具突然性,更危險(xiǎn)更具突然性,更危險(xiǎn)。疲勞斷裂過程:疲勞斷裂過程: 斷裂面累積損傷處表面光滑,而折斷區(qū)表面粗糙。斷裂面
3、累積損傷處表面光滑,而折斷區(qū)表面粗糙。光滑的疲光滑的疲勞發(fā)展區(qū)勞發(fā)展區(qū)粗糙的脆粗糙的脆性斷裂區(qū)性斷裂區(qū)v裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、斷裂裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、斷裂疲勞斷裂的特點(diǎn):疲勞斷裂的特點(diǎn): max B 甚至甚至 max S 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院4潘存云教授研制潘存云教授研制maxN二、二、 N疲勞曲線疲勞曲線 用參數(shù)用參數(shù)max表征材料的疲表征材料的疲勞極限,通過實(shí)驗(yàn),可得出如勞極限,通過實(shí)驗(yàn),可得出如圖所示的疲勞曲線。稱為:圖所示的疲勞曲線。稱為: N疲勞曲線疲勞曲線 104C在原點(diǎn)處在原點(diǎn)處,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力
4、循環(huán)次數(shù)環(huán)次數(shù)為為N=1/4,即在加載即在加載到最大值時(shí)材料被拉斷。顯到最大值時(shí)材料被拉斷。顯然該值為強(qiáng)度極限然該值為強(qiáng)度極限B 。B103tBAN=1/4 AB段,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)段,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103 ,max變化很小,可以近似看作為變化很小,可以近似看作為靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度(靜應(yīng)力區(qū)靜應(yīng)力區(qū))。 BC段,段,N=103104,隨著,隨著N max ,材料破壞伴有塑,材料破壞伴有塑性變形,稱這一階段的疲勞現(xiàn)象為性變形,稱這一階段的疲勞現(xiàn)象為應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞 因因N較小,特稱為較小,特稱為低周疲勞低周疲勞。應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞低周疲勞低周疲勞靜應(yīng)力區(qū)靜應(yīng)力區(qū)*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院5潘存云教授研制r
5、NrD)NN持久疲勞極限 (由于由于N NDD很大,所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí),常規(guī)定一個(gè)很大,所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí),常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)N N0 0( (稱為稱為循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)) ),用,用N N0 0及其相對(duì)應(yīng)的疲勞及其相對(duì)應(yīng)的疲勞極限極限 r來近似代表來近似代表N NDD和和 rr。maxNrN0107CDrNNBAN=1/4 D點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線,代表著無限壽命區(qū)水平線,代表著無限壽命區(qū)其方程為其方程為 實(shí)踐證明,機(jī)械零件的疲實(shí)踐證明,機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在勞大多發(fā)生在CD段。段。)(=DCmrNNNNCNCDCD段曲線可用下式描述段曲線可用下式描述于是有于
6、是有CNN0mrmrN104CB103有限有限壽命壽命疲勞疲勞階段階段無限無限壽命壽命疲勞疲勞階段階段mrNNN0r0rrNNmNm與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù) C常數(shù)常數(shù) *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院6 式中式中 N0(循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù))、)、 r( N0所所對(duì)應(yīng)的疲勞極限對(duì)應(yīng)的疲勞極限 )及及m(材料常數(shù)材料常數(shù))的值由材料試驗(yàn)確定。的值由材料試驗(yàn)確定。P23mrNNN0r0rrNNmN試驗(yàn)結(jié)果表明在試驗(yàn)結(jié)果表明在CDCD區(qū)間內(nèi),試件經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的區(qū)間內(nèi),試件經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的變應(yīng)力作用之后,總會(huì)發(fā)生疲勞破壞。而變應(yīng)力作用之后,總會(huì)發(fā)生疲勞破壞。而D D點(diǎn)以后,如點(diǎn)以后,如果作用的變應(yīng)力最大應(yīng)力
7、小于果作用的變應(yīng)力最大應(yīng)力小于DD點(diǎn)的應(yīng)力(點(diǎn)的應(yīng)力(max r),),則無論循環(huán)多少次,材料都不會(huì)破壞。則無論循環(huán)多少次,材料都不會(huì)破壞。CDCD區(qū)間區(qū)間有限疲勞壽命階段有限疲勞壽命階段 DD點(diǎn)之后點(diǎn)之后無限疲勞壽命階段無限疲勞壽命階段 高周疲勞高周疲勞 潘存云教授研制maxNrN0107CBAN=1/4 104CB103DrNN低周疲勞低周疲勞N1040mNNKN為壽命系數(shù)。為壽命系數(shù)。靜應(yīng)力區(qū)靜應(yīng)力區(qū)N103*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院7潘存云教授研制amS-1潘存云教授研制amS-1材料的疲勞極限曲線也材料的疲勞極限曲線也可用于特定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可用于特定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N下,極限應(yīng)力幅與
8、平均應(yīng)下,極限應(yīng)力幅與平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線來表示,力之間的關(guān)系曲線來表示,特稱為特稱為等壽命曲線等壽命曲線,也稱為,也稱為極限應(yīng)力線圖。極限應(yīng)力線圖。(二次曲線)(二次曲線)單直線簡(jiǎn)化單直線簡(jiǎn)化雙直線簡(jiǎn)化雙直線簡(jiǎn)化三、等壽命疲勞曲線三、等壽命疲勞曲線實(shí)際應(yīng)用時(shí)常有兩種簡(jiǎn)化方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)常有兩種簡(jiǎn)化方法。amS-145 *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院8a mS 45 -1O潘存云教授研制max簡(jiǎn)化等壽命曲線(簡(jiǎn)化等壽命曲線(雙直線極限應(yīng)力線圖雙直線極限應(yīng)力線圖):): 已知已知A(0,-1) D (0 /2,0 /2)兩點(diǎn)坐兩點(diǎn)坐標(biāo),求得標(biāo),求得A直線的方直線的方程為程為ma1smaA直線上任意點(diǎn)代
9、表直線上任意點(diǎn)代表一定循一定循環(huán)特性時(shí)的疲勞極限環(huán)特性時(shí)的疲勞極限。對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán) m=0 , max=a=-1 A脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán) m=a =0 /2 C直直 線上任意點(diǎn)的最大應(yīng)力均達(dá)到了屈服極限。線上任意點(diǎn)的最大應(yīng)力均達(dá)到了屈服極限。0 /20 /245 Dm a C直線上任意點(diǎn)直線上任意點(diǎn)N 的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為(m ,a )由由三角形中兩條直角邊相等可求得三角形中兩條直角邊相等可求得 C直線的方程為直線的方程為 a GCNP24*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院9潘存云教授研制a mS 45 -1GC0 /20 /245 DCGAO而正好落在而正好落在AGC折線上折線上時(shí),表示應(yīng)力狀況達(dá)到疲時(shí),表示
10、應(yīng)力狀況達(dá)到疲勞破壞的極限值。勞破壞的極限值。 0012對(duì)于碳鋼,對(duì)于碳鋼, 0.10.2,對(duì)于合金鋼,對(duì)于合金鋼, 0.20.3。公式公式 中的參數(shù)中的參數(shù) 為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù),其值由試驗(yàn)及下式?jīng)Q定時(shí)的材料常數(shù),其值由試驗(yàn)及下式?jīng)Q定ma1當(dāng)應(yīng)力點(diǎn)落在當(dāng)應(yīng)力點(diǎn)落在OAGC以外以外時(shí),一定會(huì)發(fā)生疲勞破壞。時(shí),一定會(huì)發(fā)生疲勞破壞。 當(dāng)循環(huán)應(yīng)力參數(shù)(當(dāng)循環(huán)應(yīng)力參數(shù)( m,a )落在)落在OAGC以內(nèi)以內(nèi)時(shí),表示不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。時(shí),表示不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院10a m潘存云教授研制材料材料S -1DAGC3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 一、零件的極限
11、應(yīng)力線圖一、零件的極限應(yīng)力線圖由于材料試件是一種特殊的結(jié)構(gòu),而實(shí)際零件的幾何形狀、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化因素等與試件有區(qū)別,使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。定義彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)定義彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)e11K在在不對(duì)稱循環(huán)不對(duì)稱循環(huán)時(shí),時(shí),是試件與零件是試件與零件極限應(yīng)力幅的比值極限應(yīng)力幅的比值。-1 0 /(2)0 /(2 ) 零件的對(duì)稱循環(huán)彎曲疲零件的對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限為勞極限為-1e 設(shè)材料的對(duì)稱循環(huán)彎曲設(shè)材料的對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限為疲勞極限為 -1K1e1K0e045 DAG45 -1e零件零件且總有且總有 -1e -1 *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院11潘存云
12、教授研制amS -1DAGC-1 AG45 -1e45 Dmeae11eeKsmeaemeae1K或直線直線A的方程為的方程為 直線直線C的方程為的方程為 ae 零件所受極限應(yīng)力幅;零件所受極限應(yīng)力幅;me 零件所受極限平均應(yīng)力;零件所受極限平均應(yīng)力; e 零件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù);零件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù); 彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù) 反映了反映了應(yīng)力集中、應(yīng)力集中、尺寸因素、表面加工質(zhì)量尺寸因素、表面加工質(zhì)量及及強(qiáng)化強(qiáng)化等因素的綜合影響結(jié)果。等因素的綜合影響結(jié)果。其計(jì)算公式如下其計(jì)算公式如下其中:其中:k 零件的零件的有效應(yīng)力集中系數(shù);有效應(yīng)力集中系數(shù)
13、;qkK111 零件的零件的表面質(zhì)量系數(shù);表面質(zhì)量系數(shù); 零件的零件的尺寸系數(shù);尺寸系數(shù);q 零件的零件的強(qiáng)化系數(shù)強(qiáng)化系數(shù)。CG P38-45*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院12潘存云教授研制meae11eeKsmeae=+及meae1+=K或?qū)τ谇袘?yīng)力同樣有如下方程對(duì)于切應(yīng)力同樣有如下方程其中系數(shù)其中系數(shù) k 、 、 、 與與 k 、 、 、 q 相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。 qkK111教材附表教材附表3-13-11詳細(xì)列出了零件的典型結(jié)構(gòu)、尺詳細(xì)列出了零件的典型結(jié)構(gòu)、尺寸、表面加工質(zhì)量及強(qiáng)化措施等因素對(duì)彎曲疲勞極限的寸、表面加工質(zhì)量及強(qiáng)化措施等因素對(duì)彎曲疲勞極限的綜合影響綜合影響 。下面列舉了部分圖表。amO
14、S -1DAGC-1 0 /20 /245 DAG45 -1e P38-45*13影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素一一.應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響1. 應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要原因:零件截面形狀發(fā)生的突然變化應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要原因:零件截面形狀發(fā)生的突然變化2. 名義應(yīng)力名義應(yīng)力和實(shí)際最大應(yīng)力和實(shí)際最大應(yīng)力max3. 理論應(yīng)力集中系數(shù)與有效應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)與有效應(yīng)力集中系數(shù)max理論應(yīng)力集中系數(shù):理論應(yīng)力集中系數(shù):有效應(yīng)力集中系數(shù):有效應(yīng)力集中系數(shù):1(1)kq 材料的敏感系數(shù)材料的敏感系數(shù) q1有效應(yīng)力集中系數(shù)總比理論應(yīng)力集中系數(shù)小有效應(yīng)力集中系數(shù)總比理論應(yīng)力集中系數(shù)小軸
15、上環(huán)槽、軸肩圓角、軸上徑向孔軸上環(huán)槽、軸肩圓角、軸上徑向孔理論應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)軸上鍵槽、外花鍵、軸上鍵槽、外花鍵、普通螺紋的拉壓有效普通螺紋的拉壓有效應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)鋼材的敏鋼材的敏性系數(shù)性系數(shù)*14二二.尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)1.零件尺寸越大,疲勞強(qiáng)度越低零件尺寸越大,疲勞強(qiáng)度越低2.尺寸及截面形狀系數(shù)尺寸及截面形狀系數(shù) 、三三.表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響1.零件的表面粗糙度的影響零件的表面粗糙度的影響2.表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)四四.表面處理的影響表面處理的影響1.零件表面施行不同的強(qiáng)化處理的影響零件表面施行不同的強(qiáng)化處理的影響2.表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)q四四.彎曲疲勞極
16、限彎曲疲勞極限綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù)111qkK注:以上影響因素是通過影響應(yīng)力幅來影響零件的疲勞強(qiáng)度注:以上影響因素是通過影響應(yīng)力幅來影響零件的疲勞強(qiáng)度的的影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素1aemeK *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院15潘存云教授研制NM二、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算首先根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的首先根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的 max 及及 min確定平均應(yīng)力確定平均應(yīng)力m與與應(yīng)力幅應(yīng)力幅a; 然后,在極限應(yīng)力線圖的坐然后,在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn)標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn)MM或或N N。兩種情況分別討論a mOS -1CAG-1
17、eD相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線限應(yīng)力曲線AGC上的某一個(gè)點(diǎn)上的某一個(gè)點(diǎn)MM或或N N所代表的應(yīng)力。所代表的應(yīng)力。M或或N的位置確定與循環(huán)應(yīng)力的變化規(guī)律有關(guān)。的位置確定與循環(huán)應(yīng)力的變化規(guī)律有關(guān)。am 應(yīng)力比為常數(shù)應(yīng)力比為常數(shù)r=C可能發(fā)生的應(yīng)可能發(fā)生的應(yīng)力變化規(guī)律力變化規(guī)律 平均應(yīng)力為常數(shù)平均應(yīng)力為常數(shù) m=C 最小應(yīng)力為常數(shù)最小應(yīng)力為常數(shù) min=C計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為 SS+=amammaxmaxca絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)振動(dòng)著的受載彈簧振動(dòng)著的受載彈簧緊螺栓連接受軸向載荷緊螺栓連接受軸向載荷*長(zhǎng)江大學(xué)
18、機(jī)械工程學(xué)院16潘存云教授研制11rCra mO-1CAG-1e D(1) r=常數(shù)常數(shù) 聯(lián)立直線聯(lián)立直線OM和和AG的方程得的方程得作射線作射線OM,其上任意一點(diǎn),其上任意一點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的應(yīng)力比同的應(yīng)力比 r。則則M1為極為極限應(yīng)力點(diǎn),其坐標(biāo)值限應(yīng)力點(diǎn),其坐標(biāo)值me ,ae之和就是對(duì)應(yīng)于之和就是對(duì)應(yīng)于M點(diǎn)的點(diǎn)的極限應(yīng)力極限應(yīng)力max 。amaxminmmaxmin比值S amMmeaeM1maxaeme1maam()K1maxamK1a1m1amam,MKK 可得可得S Scaca及疲勞強(qiáng)度條件為及疲勞強(qiáng)度條件為 SKS+=ma1-maxmaxca絕大
19、多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院17潘存云教授研制ae-1-1ea mOCAD GN點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)N N1位于直線位于直線CG上,上,meaeamN N1maxsmeae有有 這說明工作應(yīng)力為這說明工作應(yīng)力為N點(diǎn)時(shí),首先點(diǎn)時(shí),首先可能發(fā)生的是屈服失效。故只需要進(jìn)可能發(fā)生的是屈服失效。故只需要進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算即可。行靜強(qiáng)度計(jì)算即可。Sca及強(qiáng)度計(jì)算公式為及強(qiáng)度計(jì)算公式為SS+=masmaxsca凡是工作應(yīng)力點(diǎn)落在凡是工作應(yīng)力點(diǎn)落在OGC區(qū)域內(nèi),在循環(huán)特性區(qū)域內(nèi),在循環(huán)特性 r=常數(shù)常數(shù)的條件下,極限應(yīng)力統(tǒng)統(tǒng)為屈服極限,只需的條件下,極限應(yīng)力統(tǒng)統(tǒng)為屈服極限
20、,只需要進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。要進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院18潘存云教授研制am-1-1eamOCAD G(2) m=常數(shù)常數(shù) 此時(shí)需要在此時(shí)需要在 AG上確定上確定M2,使得使得m= m M顯然顯然M2在過在過M點(diǎn)且與縱軸平點(diǎn)且與縱軸平行的直線上,該線上任意一行的直線上,該線上任意一點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的平均應(yīng)力值。相同的平均應(yīng)力值。 M2聯(lián)立聯(lián)立M M2和和AG的方程得的方程得M2maxaemeKKma)(1Kmaae1Sca及疲勞強(qiáng)度條件為及疲勞強(qiáng)度條件為max-1camaxam()()mKSSK12ammMK ,振動(dòng)著的受載彈簧振動(dòng)著的受載彈簧*長(zhǎng)
21、江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院19潘存云教授研制潘存云教授研制-1-1ea mOCA Ds G45 am-1-1ea mOCADs G同理,對(duì)應(yīng)于同理,對(duì)應(yīng)于N點(diǎn)的極限應(yīng)點(diǎn)的極限應(yīng)力為力為N N2點(diǎn)。點(diǎn)。 N N2由于落在了直線由于落在了直線CG上,故只上,故只要進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。要進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算公式為計(jì)算公式為SS+=masmaxsca(3) min=常數(shù)常數(shù) MM3此時(shí)需要在此時(shí)需要在 AG上確定上確定M3,使得使得 min= min min= m - a = C過過M點(diǎn)作點(diǎn)作45 直線,其上任意一直線,其上任意一點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的最小應(yīng)力。同的最小應(yīng)力。 M
22、3如圖。如圖。minML緊螺栓連接受軸向載荷緊螺栓連接受軸向載荷*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院20潘存云教授研制在在OAD區(qū)域內(nèi),最小應(yīng)力均區(qū)域內(nèi),最小應(yīng)力均為負(fù)值,在實(shí)際機(jī)器中極少為負(fù)值,在實(shí)際機(jī)器中極少出現(xiàn),故不予討論。出現(xiàn),故不予討論。通過通過O、G兩點(diǎn)分別作兩點(diǎn)分別作45直線,直線, I得得OAD、ODGI、GCI三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域。PLQminQ0 0minM-1e-1a mOCAS GMM3 D而在而在GCI區(qū)域內(nèi),極限應(yīng)力統(tǒng)區(qū)域內(nèi),極限應(yīng)力統(tǒng)為屈服極限。按靜強(qiáng)度處理:為屈服極限。按靜強(qiáng)度處理:SS+=masmaxsca在在ODGI區(qū)域內(nèi),極限應(yīng)力在疲勞極限應(yīng)力曲線上。區(qū)域內(nèi),極限應(yīng)力在疲
23、勞極限應(yīng)力曲線上。通過聯(lián)立直線通過聯(lián)立直線M M3和和AG的方程可求解的方程可求解M3點(diǎn)的坐標(biāo)值后,點(diǎn)的坐標(biāo)值后,可得到可得到計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為max-1mincamaxamin2()()(2)KSSK1min1min3,KMKK maxmin2() 2amaa*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院21潘存云教授研制規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力三、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算三、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算若應(yīng)力每循環(huán)一次都對(duì)材料的破壞起相同的作用,若應(yīng)力每循環(huán)一次都對(duì)材料的破壞起相同的作用,則應(yīng)力則應(yīng)力 1 每循環(huán)一次對(duì)材料的損傷率即為每循環(huán)一次對(duì)材料的
24、損傷率即為1/N1,而循,而循環(huán)了環(huán)了n1次的次的1對(duì)材料的損傷率即為對(duì)材料的損傷率即為n1/N1。如此類推,循。如此類推,循環(huán)了環(huán)了n2次的次的2對(duì)材料的損傷率即為對(duì)材料的損傷率即為n2/N2,不穩(wěn)定不穩(wěn)定變應(yīng)力變應(yīng)力規(guī)律性規(guī)律性非規(guī)律性非規(guī)律性 用用統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算按按疲勞損傷累疲勞損傷累積積假說假說進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算如汽車鋼板彈簧的載荷與應(yīng)力受載重量、行車速度、輪胎充氣程度、路面狀況、駕駛員水平等因素有關(guān)。如汽車鋼板彈簧的載荷與應(yīng)力受載重量、行車速度、輪胎充氣程度、路面狀況、駕駛員水平等因素有關(guān)。1n12n23n34n4maxnOmaxNO1
25、n1N12 n2N23 n3 N3-1 -1 ND而低于而低于-1的應(yīng)力可以認(rèn)為不構(gòu)成破壞作用。的應(yīng)力可以認(rèn)為不構(gòu)成破壞作用。 如專用機(jī)床主軸如專用機(jī)床主軸*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院22 當(dāng)損傷率達(dá)到當(dāng)損傷率達(dá)到100%時(shí),材料即發(fā)生疲勞破壞,故對(duì)時(shí),材料即發(fā)生疲勞破壞,故對(duì)應(yīng)于極限狀況有應(yīng)于極限狀況有1=+=3322111=NnNnNnNnziii實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明 (1)當(dāng)應(yīng)力作用順序是先大當(dāng)應(yīng)力作用順序是先大 后小時(shí),等號(hào)右邊值后小時(shí),等號(hào)右邊值 1; 11ziiiNn11ziiiNn一般情況有一般情況有 2 . 27 . 01ziiiNnmiiNN10其中:1).(1101221110mzi
26、miimzzmmmNnnnnN極限情況極限情況 P30 有誤有誤*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院23mzimiiNn101mzimiinN1=0ca1=SS=ca1ca若材料在這些應(yīng)力作用下,未達(dá)到破壞,則有若材料在這些應(yīng)力作用下,未達(dá)到破壞,則有令不穩(wěn)定變應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)力為令不穩(wěn)定變應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)力為則則 ca -1 ,其強(qiáng)度條件為,其強(qiáng)度條件為四、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算四、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)零件上同時(shí)作用有同相位的法向和切向?qū)ΨQ循環(huán)穩(wěn)當(dāng)零件上同時(shí)作用有同相位的法向和切向?qū)ΨQ循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力定變應(yīng)力 a a 和和 a a時(shí),由實(shí)驗(yàn)得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為時(shí),由實(shí)驗(yàn)得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為
27、12e1a2e1a*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院24潘存云教授研制潘存云教授研制CD式中式中 a及及 a為同時(shí)作用的切為同時(shí)作用的切向及法向應(yīng)力幅的極限值向及法向應(yīng)力幅的極限值。若作用于零件上的應(yīng)力幅若作用于零件上的應(yīng)力幅 a及及 a如圖中如圖中MM點(diǎn)表示,則圖點(diǎn)表示,則圖中中MM點(diǎn)對(duì)應(yīng)于點(diǎn)對(duì)應(yīng)于MM點(diǎn)的極限應(yīng)力。點(diǎn)的極限應(yīng)力。由于是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?;【€由于是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?;【€ AMB 上任何一個(gè)點(diǎn)即代表一對(duì)極限應(yīng)力上任何一個(gè)點(diǎn)即代表一對(duì)極限應(yīng)力a及及a。Oa-1ea-1e12e1a2e1aABMDCM計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù)ODODOCOCOMOMSca
28、a1eOC因?yàn)閍1eODa1eOCa1eODacaacaa=SSa于是有強(qiáng)調(diào)代入第一個(gè)公式強(qiáng)調(diào)代入第一個(gè)公式12e1a2e1a*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院25將將 a及及 a代入到極限應(yīng)力關(guān)代入到極限應(yīng)力關(guān)系可得系可得潘存云教授研制12e12e1acaacaSS11eeaaSS和而而 是是只承受切向應(yīng)力只承受切向應(yīng)力或或只承受法向應(yīng)力只承受法向應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)。時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)。于是求得計(jì)算安全系數(shù)于是求得計(jì)算安全系數(shù)22ca+=SSSSOMOMS注:只要工作應(yīng)力點(diǎn)注:只要工作應(yīng)力點(diǎn)MM落在極限區(qū)域以內(nèi),就不會(huì)達(dá)落在極限區(qū)域以內(nèi),就不會(huì)達(dá)到極限條件,因而總是安全的。到極限條件,因而總是安全的。C
29、DOa-1ea-1eABMDCM1amSK 當(dāng)零件上所承受的兩個(gè)變應(yīng)力均為不對(duì)稱循環(huán)時(shí),有當(dāng)零件上所承受的兩個(gè)變應(yīng)力均為不對(duì)稱循環(huán)時(shí),有1amSK *長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院26五、許用安全系數(shù)的選取五、許用安全系數(shù)的選取 安全系數(shù)定得正確與否對(duì)零件尺寸有很大影響安全系數(shù)定得正確與否對(duì)零件尺寸有很大影響(1 1)靜應(yīng)力下,塑性材料的零件靜應(yīng)力下,塑性材料的零件 S =1.2 =1.2.5.5 鑄鋼件鑄鋼件 S =1. =1.5.5S典型機(jī)械的典型機(jī)械的 S 可通過查表求得??赏ㄟ^查表求得。 無表可查時(shí),按以無表可查時(shí),按以下原則取下原則取零件尺寸大,結(jié)構(gòu)笨重。零件尺寸大,結(jié)構(gòu)笨重。S可能不安全。可
30、能不安全。()()靜應(yīng)力下,脆性材料,如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵:靜應(yīng)力下,脆性材料,如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵: S =3 =34 4(3 3)變應(yīng)力下,變應(yīng)力下, S =1.3 =1.31.71.7材料不均勻,或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)取材料不均勻,或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)取 S =1.7 =1.72.52.5*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院27潘存云教授研制六、提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施六、提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施 綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟(jì)性,采用具有高疲勞綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟(jì)性,采用具有高疲勞強(qiáng)度的材料及適當(dāng)?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強(qiáng)化處理強(qiáng)度的材料及適當(dāng)?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強(qiáng)化處理 適當(dāng)提高零件的表面質(zhì)量,特別是提高有應(yīng)力集中部適當(dāng)
31、提高零件的表面質(zhì)量,特別是提高有應(yīng)力集中部位的表面加工質(zhì)量,必要時(shí)表面作適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)處理位的表面加工質(zhì)量,必要時(shí)表面作適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)處理(金屬鍍(金屬鍍層或化學(xué)處理,磷化、電鍍等)層或化學(xué)處理,磷化、電鍍等)盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸,對(duì)于延長(zhǎng)零件的疲勞壽命有著比提高材料性能尺寸,對(duì)于延長(zhǎng)零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用更為顯著的作用(探傷檢驗(yàn))(探傷檢驗(yàn))減載槽減載槽在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處,可采在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處,可采用
32、減載槽來降低應(yīng)力集中的作用用減載槽來降低應(yīng)力集中的作用*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院28在工程實(shí)際中,往往會(huì)發(fā)生工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力在工程實(shí)際中,往往會(huì)發(fā)生工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)所發(fā)生的突然斷裂,這種現(xiàn)象稱為時(shí)所發(fā)生的突然斷裂,這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷。對(duì)于高強(qiáng)度材料,一方面是它的對(duì)于高強(qiáng)度材料,一方面是它的強(qiáng)度高強(qiáng)度高(即許用應(yīng)(即許用應(yīng)力高),另一方面則是它力高),另一方面則是它抵抗裂紋擴(kuò)展的能力抵抗裂紋擴(kuò)展的能力要隨著強(qiáng)要隨著強(qiáng)度的增加而度的增加而下降下降。因此,。因此,用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論計(jì)算高強(qiáng)度用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論計(jì)算高強(qiáng)度材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題,就存在一定的危險(xiǎn)性材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題,就存在一
33、定的危險(xiǎn)性。通過對(duì)大量結(jié)構(gòu)斷裂事故分析表明,通過對(duì)大量結(jié)構(gòu)斷裂事故分析表明,結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。3-33-3機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結(jié)構(gòu)是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度和變形規(guī)律的學(xué)科?;驑?gòu)件的強(qiáng)度和變形規(guī)律的學(xué)科。*長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院29潘存云教授研制潘存云教授研制3-4機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度如齒輪、凸輪、滾動(dòng)軸承等。如齒輪、凸輪、滾動(dòng)軸承等。B 機(jī)械零件中各零件之間的力的傳遞,總是通過兩機(jī)械零件中各零件之間的力的傳遞,總是通過兩個(gè)零件的接觸形式來實(shí)現(xiàn)的。常見兩機(jī)械零件的接觸個(gè)零件的接觸形式來實(shí)現(xiàn)的。常見兩機(jī)械零件的接觸形式為點(diǎn)接觸或線接觸。形式為點(diǎn)接觸或線接觸。
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