CH7-2機械零件的疲勞強度

1、多媒體CAI課件設計基礎 第一章第第7章章 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度 計劃學時：計劃學時：2h 制作人：制作人：某某某某某某基本要求及重點、難點基本要求及重點、難點7.1 變應力變應力7.2 疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征7.3-N疲勞曲線疲勞曲線7.4 疲勞極限應力圖（等壽命疲勞曲線）疲勞極限應力圖（等壽命疲勞曲線）7.5 影響機械零件強度的主要因素影響機械零件強度的主要因素7.6 零件的許用疲勞極限應力簡圖零件的許用疲勞極限應力簡圖7.7 穩(wěn)定變應力時安全系數(shù)的計算穩(wěn)定變應力時安全系數(shù)的計算多媒體CAI課件設計基礎 第一章基本要求基本要求:1 1）變應力的類型和特征；）變應力的類

2、型和特征；2 2）疲勞曲線及其方程；）疲勞曲線及其方程；3 3）材料和零件的簡化極限應力圖；）材料和零件的簡化極限應力圖；4 4）影響機械零件疲勞極限的因素；）影響機械零件疲勞極限的因素；5 5）穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算。）穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算。重點、難點：重點、難點：1 1）材料和零件的簡化極限應力圖的畫法）材料和零件的簡化極限應力圖的畫法 2 2）影響機械零件疲勞極限的因素；）影響機械零件疲勞極限的因素；3 3）單向穩(wěn)定變應力下安全系數(shù)的計算。）單向穩(wěn)定變應力下安全系數(shù)的計算。作業(yè)作業(yè):多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.1 變應力變應力 隨時間作周期性變化的應力隨

3、時間作周期性變化的應力 )(maxmax)(minmin)( 2minmaxmm)( 2minmaxaa) 1r1( rmaxmin最大應力：最大應力：最小應力：最小應力：平均應力：平均應力：應力幅：應力幅： 循環(huán)特性：循環(huán)特性：多媒體CAI課件設計基礎 第一章1r 靜應力靜應力 1r對稱循環(huán)應力對稱循環(huán)應力 多媒體CAI課件設計基礎 第一章非對稱循環(huán)應力非對稱循環(huán)應力 1r10r 脈動循環(huán)應力脈動循環(huán)應力 多媒體CAI課件設計基礎 第一章在靜載荷作用下，變應力示例之一在靜載荷作用下，變應力示例之一多媒體CAI課件設計基礎 第一章在靜載荷作用下，變應力示例之二在靜載荷作用下，變應力示例之二多媒

4、體CAI課件設計基礎 第一章在靜載荷作用下，變應力示例之三在靜載荷作用下，變應力示例之三多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章 在一定循環(huán)特性在一定循環(huán)特性r r下的變應力，經(jīng)過下的變應力，經(jīng)過N N次循環(huán)后，材料不發(fā)生破壞的應力最大值次循環(huán)后，材料不發(fā)生破壞的應力最大值稱為在一定循環(huán)特性下的疲勞極限。稱為在一定循環(huán)特性下的疲勞極限。如對稱循環(huán)用，脈動循環(huán)用。如對稱循環(huán)用，脈動循環(huán)用。 rNrN1 -0多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.2疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征 實踐表明，長期處在交變應力下工作的桿實踐表明，長期處在交變應力下工作的桿件，即使用塑性較好的材料制成

5、，且其最大工件，即使用塑性較好的材料制成，且其最大工作應力遠低于材料的強度極限，也常在沒有明作應力遠低于材料的強度極限，也常在沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生突然斷裂。這種現(xiàn)象顯塑性變形的情況下發(fā)生突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。稱為疲勞破壞。 汽錘桿疲勞破壞后的斷口汽錘桿疲勞破壞后的斷口 裂紋源裂紋源光滑區(qū)光滑區(qū) 粗糙區(qū)粗糙區(qū) 多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.3疲勞曲線疲勞曲線 N 在任意給定的循環(huán)特性在任意給定的循環(huán)特性r r條件下，表示應力循環(huán)條件下，表示應力循環(huán)次數(shù)次數(shù)N N與疲勞極限的關系曲線與疲勞極限的關系曲線 多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章AB段

6、段 靜應力強度階段靜應力強度階段AC段段 低周疲勞階段低周疲勞階段BC段段這一階段的疲勞破壞已伴隨著塑性變形，這一階段的疲勞破壞已伴隨著塑性變形，但應力循環(huán)次數(shù)相對很小。但應力循環(huán)次數(shù)相對很小。 CD段段 有限壽命疲勞階段有限壽命疲勞階段 rN有效壽命疲勞極限有效壽命疲勞極限 * *疲勞極限是指在一定循環(huán)特性下，應疲勞極限是指在一定循環(huán)特性下，應力循環(huán)次數(shù)為力循環(huán)次數(shù)為N N時的極限應力，時的極限應力，r r，N N不同不同極限應力也不一樣。極限應力也不一樣。 多媒體CAI課件設計基礎 第一章CD段的設計段的設計 有限疲勞設計有限疲勞設計 D43NN)(1010 CNmrN * *當工作的變應

7、力的最大應力小于當工作的變應力的最大應力小于D D點的應力，點的應力，可認為無論應力變化多少次，材料都不會破壞?？烧J為無論應力變化多少次，材料都不會破壞。 D點以后的階段點以后的階段 無限疲勞階段無限疲勞階段 持久疲勞極限持久疲勞極限 r多媒體CAI課件設計基礎 第一章各種工程材料各種工程材料 76D102510N0N循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù) D0NN 代替 rr代替DCmrmrNNNNCNN0NrmrrNKNN0多媒體CAI課件設計基礎 第一章mNNNK0壽命系數(shù)壽命系數(shù) m材料常數(shù)材料常數(shù) 對于鋼材，在彎曲疲勞或拉壓疲勞時對于鋼材，在彎曲疲勞或拉壓疲勞時 6010)101 (,206Nm在初步計算

8、時，鋼制零件受彎曲疲勞在初步計算時，鋼制零件受彎曲疲勞中等尺寸零件取中等尺寸零件取 60105, 9Nm大尺寸零件取大尺寸零件取 7010, 9NmC點以后的階段點以后的階段 高周疲勞階段高周疲勞階段 多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.4疲勞極限應力圖（等壽命疲勞曲線）疲勞極限應力圖（等壽命疲勞曲線） 材料在相同的循環(huán)次數(shù)和不同的循環(huán)特性下有不材料在相同的循環(huán)次數(shù)和不同的循環(huán)特性下有不同的疲勞極限，可繪制出相應的同的疲勞極限，可繪制出相應的疲勞極限應力圖疲勞極限應力圖。對對于塑性材料其極限應力于塑性材料其極限應力圖呈拋物線分布。圖呈拋物線分布。 * *三個特殊點三個特殊點), 0(A1)2,

9、2(B00)0 ,(FB多媒體CAI課件設計基礎 第一章材料的極限應力簡圖材料的極限應力簡圖折線折線ABESABES001/ )2(tan平均應力折合為應力副的平均應力折合為應力副的等效系數(shù)等效系數(shù) 多媒體CAI課件設計基礎 第一章r接近接近1時（時（ 較小時）可按靜強度計算較小時）可按靜強度計算aES為屈服極限曲線，線上各點均為為屈服極限曲線，線上各點均為 sammax其他的按疲勞強度計算其他的按疲勞強度計算 * *三個區(qū)三個區(qū)疲勞和塑性安全區(qū)疲勞和塑性安全區(qū) 疲勞失效區(qū)疲勞失效區(qū) 塑性失效區(qū)塑性失效區(qū) 多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.5影響機械零件強度的主要因素影響機械零件強度的主要因

10、素 1.應力集中的影響應力集中的影響 零件受載時，幾何形狀、尺寸的突變零件受載時，幾何形狀、尺寸的突變 應力集中應力集中應力集中源：應力集中源：軸上環(huán)槽、軸肩圓角、橫向孔、鍵軸上環(huán)槽、軸肩圓角、橫向孔、鍵槽、外花鍵等槽、外花鍵等 有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù))(kk) 1(1qk) 1(1qk式中：式中： ， 考慮零件幾何形狀的理論應力系數(shù)。考慮零件幾何形狀的理論應力系數(shù)。 考慮材料對應力集中感受程度的敏性系數(shù)?？紤]材料對應力集中感受程度的敏性系數(shù)。qkKD)(多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章多

11、媒體CAI課件設計基礎 第一章注意問題：注意問題： * * 強度極限愈高鋼的敏性系數(shù)值愈大，說明對應力集中愈強度極限愈高鋼的敏性系數(shù)值愈大，說明對應力集中愈敏感。鑄鐵由外引起的應力集中遠低于內(nèi)部組織的應力集中，敏感。鑄鐵由外引起的應力集中遠低于內(nèi)部組織的應力集中，故取：故?。?而而0q1kk* * 在缺乏在缺乏 數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)時) 1(6 . 01kk* * 降低應力集中的措施：減緩零件幾何尺寸的突變、增大降低應力集中的措施：減緩零件幾何尺寸的突變、增大過渡圓角半徑、采用卸載結構等。過渡圓角半徑、采用卸載結構等。 * * 若在同一截面上同時有幾個應力集中源時，應采用最大若在同一截面上同時有幾個應力

12、集中源時，應采用最大有效應力集中系數(shù)進行計算。有效應力集中系數(shù)進行計算。 多媒體CAI課件設計基礎 第一章2.尺寸的影響尺寸的影響 尺寸系數(shù)尺寸系數(shù) )(多媒體CAI課件設計基礎 第一章* * 當其他條件相同時，當其他條件相同時，尺寸愈大，對零件疲勞強尺寸愈大，對零件疲勞強度的不良影響更加顯著。度的不良影響更加顯著。 kKD)(多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章3.表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響 表面狀態(tài)系數(shù)表面狀態(tài)系數(shù) )(多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章注意問題：注意問題： * * 在缺乏數(shù)據(jù)時在缺乏數(shù)據(jù)時4 . 06 . 0*

13、* 鋼的強度極限愈高，表面愈粗糙，表面狀態(tài)系數(shù)愈低。鋼的強度極限愈高，表面愈粗糙，表面狀態(tài)系數(shù)愈低。所以在采用高強度鋼時，常用提高表面加工質量的方法來提所以在采用高強度鋼時，常用提高表面加工質量的方法來提高零件的疲勞強度。鑄鐵對加工的表面狀態(tài)極不敏感，一般高零件的疲勞強度。鑄鐵對加工的表面狀態(tài)極不敏感，一般?。喝。?1* * 常用的改善表面狀態(tài)措施有：淬火、滲碳、滲氮等熱處常用的改善表面狀態(tài)措施有：淬火、滲碳、滲氮等熱處理工藝，以及拋光、噴丸、滾壓等表面強化處理工藝。改善理工藝，以及拋光、噴丸、滾壓等表面強化處理工藝。改善后的表面強化系數(shù)通常大于后的表面強化系數(shù)通常大于1 1，一般取，一般取1

14、 1。 kKD)(多媒體CAI課件設計基礎 第一章 4.綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù) kKD)(kKD)(* * 實驗表明，應力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)都只對應力實驗表明，應力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)都只對應力幅產(chǎn)生影響，而對平均應力沒有明顯影響。幅產(chǎn)生影響，而對平均應力沒有明顯影響。 注意問題：注意問題： * * 計算時，零件的工作應力要乘以綜合影響系數(shù)，或材料計算時，零件的工作應力要乘以綜合影響系數(shù)，或材料極限應力幅要除以綜合影響系數(shù)。極限應力幅要除以綜合影響系數(shù)。 多媒體CAI課件設計基礎 第一章多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.6 零件的許用疲勞極限應力簡圖零件的許用疲勞極限應力簡圖 對

15、材料的簡化疲勞極限圖，考慮疲勞強度的綜合影響系對材料的簡化疲勞極限圖，考慮疲勞強度的綜合影響系數(shù)數(shù) 或或 和壽命系數(shù)和壽命系數(shù) ，對其進行修正，得，對其進行修正，得 DK )(DK )(NK)(, 0(1DNKKA)(2,2(00DNNKKKC* * 是按靜應力強度考是按靜應力強度考慮的，不需修正。慮的，不需修正。 BDDK )/(多媒體CAI課件設計基礎 第一章* * AB線的斜率：線的斜率： 001/ )2(tan* * 線的斜率：線的斜率： DADK )/(* * 與與 相同不變。相同不變。 ESBD設設 上的坐標為上的坐標為 BCA),(am可得可得 和和 的直線方程：的直線方程： D

16、CABDmaDmaDKK）（，即：11)(Sma* *對于剪切應力，只需用對于剪切應力，只需用 來代替上述理論中的來代替上述理論中的 即可。即可。 多媒體CAI課件設計基礎 第一章7.7穩(wěn)定變應力時安全系數(shù)的計算穩(wěn)定變應力時安全系數(shù)的計算 單向穩(wěn)定變應力單向穩(wěn)定變應力 在每次循環(huán)中，平均應力、應力在每次循環(huán)中，平均應力、應力幅和循環(huán)特性，其中一項保持不變的變應力幅和循環(huán)特性，其中一項保持不變的變應力 穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力在每次循環(huán)中，平均應力、應力幅和周在每次循環(huán)中，平均應力、應力幅和周期都不隨時間變化的變應力期都不隨時間變化的變應力 解析法計算零件疲勞強度的步驟：解析法計算零件疲勞強度的步驟

17、：根據(jù)材料及其零件危險截面處的情況畫出零件的極限應根據(jù)材料及其零件危險截面處的情況畫出零件的極限應力簡圖；力簡圖； 求出危險截面工作應力的最大值求出危險截面工作應力的最大值 和最小值和最小值 ； maxmin多媒體CAI課件設計基礎 第一章計算計算 ， ，并在圖中找出對應的工作應力點，并在圖中找出對應的工作應力點M( , )M( , )或或N N點；點； mama根據(jù)單向穩(wěn)定類型及根據(jù)單向穩(wěn)定類型及M( , )M( , )求出折線求出折線 上對上對應的極限應力應的極限應力( , )( , )點，則點，則 ； mamaBDAamlim疲勞強度校核疲勞強度校核 maxlimSSca多媒體CAI課件

18、設計基礎 第一章7.7.1變應力循環(huán)特性不變變應力循環(huán)特性不變 Cr Crmamaamam11maxmin可見可見Cr 必有必有Cma示例示例多媒體CAI課件設計基礎 第一章1. 圖解法圖解法 過坐標原點過坐標原點O O（0 0，0 0）點和）點和M( , )( , )做一條直線與做一條直線與 交于交于 ( , )( , )點（或點（或N點交點交 為為 點）。點）。 maDCAMmaBDN*比例尺比例尺 多媒體CAI課件設計基礎 第一章應力幅安全系數(shù)應力幅安全系數(shù) maxmaxSOMMOSamam安全系數(shù)安全系數(shù) aaaaSS疲勞失效疲勞失效 塑性破壞塑性破壞 SSams多媒體CAI課件設計基

19、礎 第一章2.解析法解析法 當當M M點疲勞區(qū)時，過點疲勞區(qū)時，過O，M兩點列直線方程，聯(lián)解兩點列直線方程，聯(lián)解 的方的方程求出交點程求出交點 的坐標的坐標( , )( , )，DCAMma得安全系數(shù)計算公式得安全系數(shù)計算公式)(1SkKSmaDN得安全系數(shù)計算公式得安全系數(shù)計算公式)(1amaDNaaaSkkS多媒體CAI課件設計基礎 第一章當當N點為于塑性區(qū)，則應屈服安全系數(shù)點為于塑性區(qū)，則應屈服安全系數(shù) SSams注意注意 作圖法準確性取決于作圖，但可直接判斷工作點所作圖法準確性取決于作圖，但可直接判斷工作點所在的區(qū)域，而解析法則無法判斷，所以為了安全起在的區(qū)域，而解析法則無法判斷，所以

20、為了安全起見，采用解析法計算時，疲勞強度和屈服強度安全見，采用解析法計算時，疲勞強度和屈服強度安全系數(shù)都需要進行計算。系數(shù)都需要進行計算。 多媒體CAI課件設計基礎 第一章示示 例例7.7.2變應力的平均應力不變變應力的平均應力不變 Cm多媒體CAI課件設計基礎 第一章過過M( , )( , )做一條垂直橫坐標的直線，列直線方程做一條垂直橫坐標的直線，列直線方程 ma多媒體CAI課件設計基礎 第一章得安全系數(shù)計算公式得安全系數(shù)計算公式)()()(1SkkkSmaDmDN得應力幅安全系數(shù)計算公式得應力幅安全系數(shù)計算公式)(1aaDmNaSkkS當當N點為于塑性區(qū)，則應屈服安全系數(shù)點為于塑性區(qū)，則應屈服安全系數(shù) SSams多