材料的疲勞特性§32機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算課件

1、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)度第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度一、靜應(yīng)力與變應(yīng)力靜應(yīng)力不隨時(shí)間變化或變化緩慢變應(yīng)力隨時(shí)間變化（轉(zhuǎn)動(dòng)軸例）靜載荷大小、作用位置和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢（如重力）變載荷大小、作用位置或方向隨時(shí)間變化， 如曲柄壓力機(jī)的曲軸和汽車懸架彈簧等所受的載荷靜應(yīng)力只能在靜載荷作用下產(chǎn)生。變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生 絕大多數(shù)（80%）通用零件都是在變應(yīng)力下工作，因此各式各樣的疲勞破壞是通用零件的主要破壞形式。3-1 材料的疲勞特性ot=常數(shù)二、交變應(yīng)力的描述sm平均應(yīng)力； sa應(yīng)力幅值smax最

2、大應(yīng)力； smin最小應(yīng)力描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個(gè)參數(shù)，但其中只有兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的。r = -1r=0r=1r 應(yīng)力比（循環(huán)特性）對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力靜應(yīng)力smax-1 smax0 smaxB或s ototr =+1ot3-1 材料的疲勞特性Tmaxminamot最不利三、靜應(yīng)力強(qiáng)度條件 在靜應(yīng)力作用下，機(jī)械零件的失效形式主要是斷裂和塑性變形，相應(yīng)的強(qiáng)度條件可表示為 零件的最大正應(yīng)力 許用正應(yīng)力lim材料的極限正應(yīng)力，對(duì)于脆性材料為B， 對(duì)于塑性材料為s S 對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力的許用安全系數(shù) 3-1 材料的疲勞特性三、靜應(yīng)力強(qiáng)度條件3-1 材料的疲勞特性 應(yīng)力特性材料特性單向應(yīng)力復(fù)合應(yīng)力塑性

3、材料脆性材料 在變應(yīng)力作用下，機(jī)械零件的主要失效形式是疲勞斷裂。表面無(wú)缺陷的金屬材料，其疲勞斷裂過(guò)程分為兩個(gè)階段： 1.材料內(nèi)部的夾渣、微孔、晶界以及表面劃傷、裂紋、腐蝕等都有可能產(chǎn)生初始裂紋，形成疲勞源，疲勞源可以有一個(gè)或數(shù)個(gè)； 2.是裂紋尖端在切應(yīng)力下發(fā)生反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂。四、 零件的疲勞斷裂軸橫截面疲勞斷裂的裂紋分布示意圖初始裂紋光滑的疲勞區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)3-1 材料的疲勞特性通常疲勞斷裂具有以下特征： 1）疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低； 2）不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷口均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂； 3）疲勞斷

4、裂是損傷的積累，它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至余下的未裂開(kāi)的截面積不足以承受外荷載時(shí)，零件就突然斷裂。 疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）、應(yīng)力幅、循環(huán)特性密切相關(guān)。初始裂紋光滑的疲勞區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)3-1 材料的疲勞特性五、 sN疲勞曲線N103：靜破壞階段。103N104：循環(huán)次數(shù)較少，稱為低周疲勞。104NN0：持久疲勞階段。當(dāng)r = -1 時(shí)，r-1 r = 0 時(shí)， r0N0及m的值由材料及零件尺寸確定。當(dāng)r其它值時(shí)，也

5、可作出類似疲勞曲線。材料的等壽命疲勞曲線rNNDCBArmaxsr103N0107N3-1 材料的疲勞特性六、材料的等壽命疲勞曲線即極限應(yīng)力線圖1. 材料的等壽命疲勞曲線 在壽命相同的前提下(即循環(huán)N0次)，材料的極限平均應(yīng)力m和極限應(yīng)力幅a之間的關(guān)系曲線。通過(guò)r=-1,0實(shí)例說(shuō)明，在黑板上先畫(huà)出曲線希望已知-1、0和s確定該曲線，簡(jiǎn)化為線圖，在上圖中修改lim=ma疲勞極限應(yīng)力曲線圖（等壽命曲線）(m ,a)as-1m3-1 材料的疲勞特性y材料常數(shù)2. 材料的極限應(yīng)力線圖lim=max=ma(代表某種循環(huán)特性下的疲勞極限)lim= max=s(近似為靜應(yīng)力下的塑性極限)由-1、0和s可確定

6、材料的極限應(yīng)力線圖?；蛴?1、 和s可確定材料的極限應(yīng)力線圖作用：應(yīng)力點(diǎn)落在ADGC范圍內(nèi)，安全 落在ADGC范圍外，危險(xiǎn)3-1 材料的疲勞特性mas-1ADGC45453-1 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)度第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度 由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化因素等的影響，有: 零件的疲勞極限材料試件的疲勞極限。 k有效應(yīng)力集中系數(shù)一、綜合影響系數(shù)K應(yīng)力集中程度應(yīng)力集中程度 尺寸系數(shù)尺寸材料越不均勻，應(yīng)力集中源疲勞強(qiáng)度 表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量應(yīng)力集中源疲勞強(qiáng)度 與加工有關(guān) q表面強(qiáng)化系數(shù)與熱處理有關(guān)可對(duì)照本章

7、附錄查表3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算r1Dd二、零件的極限應(yīng)力線圖零件的疲勞極限1由-1、0、s和K可確定零件的極限應(yīng)力線圖?；蛴?1、 、s和K可確定零件的極限應(yīng)力線圖應(yīng)力點(diǎn)落在ADGC范圍內(nèi)，安全-1/K0/2KADGADG/ADG ?3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算mas-1ADG45450 /20 /2C三、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算說(shuō)明：?jiǎn)蜗颉⒎€(wěn)定在范圍內(nèi)，安全。有多安全？需定量討論 要根據(jù)應(yīng)力變化情況討論典型的應(yīng)力變化規(guī)律 應(yīng)力比為常數(shù)：r=C 平均應(yīng)力為常數(shù)m=C 最小應(yīng)力為常數(shù)min=C3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算maxminamotADGmamaCOM工作點(diǎn)M：位于AO

8、G區(qū)域，零件疲勞損壞，疲勞強(qiáng)度條件是：工作點(diǎn)N：位于GOC區(qū)域，零件屈服失效，靜強(qiáng)度條件為：1.應(yīng)力比為常數(shù)：r=C（轉(zhuǎn)軸）是一條過(guò)原點(diǎn)和M點(diǎn)的直線。N掌握?qǐng)D解法，尺子量。公式不必記憶3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算AGmamaCOMNaemeMN3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算AGmamaCOMNaemeM聯(lián)解OM及AG兩直線的方程式，可求出點(diǎn)M的坐標(biāo)值。 OM與AG的交點(diǎn)M的應(yīng)力值即為計(jì)算時(shí)的所用的極限應(yīng)力。列出OM與AG的直線方程，解方程組即可。 解得： 對(duì)應(yīng)于M點(diǎn)的零件的極限應(yīng)力（疲勞極限） N3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算AGmamaCOMNaemeM于是計(jì)算安全系數(shù)及強(qiáng)度條件為： 若工

9、作應(yīng)力點(diǎn)在OGC區(qū)域內(nèi)時(shí)，則極限應(yīng)力處于CG直線上，此時(shí)的極限應(yīng)力即為屈服極限 ，即對(duì)應(yīng)于N點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)N的計(jì)算安全系數(shù) 及強(qiáng)度極限為：工作點(diǎn)M：位于AGHO區(qū)域，零件疲勞損壞，疲勞強(qiáng)度條件為：工作點(diǎn)N：位于GHC區(qū)域，零件屈服失效，靜強(qiáng)度條件為：2.平均應(yīng)力為常數(shù)m=C（振動(dòng)彈簧）N3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算AGmamaCOMaeMN工作點(diǎn)M：位于JOIG區(qū)域，零件的疲勞強(qiáng)度條件為：工作點(diǎn)N：位于GIC區(qū)域，其極限應(yīng)力值為屈服極限，強(qiáng)度條件為：3.最小應(yīng)力為常數(shù)min=C（壓力容器密封螺栓）是一條過(guò)M點(diǎn)的45斜線。3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算AGmamaCOMNNaemeM45JI工

10、作點(diǎn)M：位于JOA區(qū)域，最小應(yīng)力為負(fù)，實(shí)際中少見(jiàn)，不予考慮。注意：1、若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不肯定，按r=C計(jì)算2、上述公式均為無(wú)限壽命計(jì)算，若按有限壽命計(jì)算，則 代替 ， 代替3、工作應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)同時(shí)考慮各種可能的情況；4、對(duì)切應(yīng)力，上述分析同樣適用，應(yīng)力參數(shù)改變。3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算四、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算不穩(wěn)定變應(yīng)力非規(guī)律性規(guī)律性按損傷累積假說(shuō)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算損傷率3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算N11n12N2n2OmaxN-1NDN3n33實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)疲勞強(qiáng)度計(jì)算五、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算零件上同時(shí)作用有同相位的穩(wěn)定對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力sa 和ta計(jì)算安全系數(shù)：3

11、-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算六、提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施 在綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟(jì)性后，采用具有高疲勞強(qiáng)度的材料，并配以適當(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。 盡可能降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強(qiáng)度的首要 措施。 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更為顯著的作用。 在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處，可采用減載槽來(lái)降低應(yīng)力集中的作用。對(duì)應(yīng)K的幾個(gè)系數(shù) 勾書(shū)3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算減載槽3-1 材料的疲勞特性3-2

12、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)度第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度在工程實(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)象稱為低應(yīng)力脆斷。 對(duì)于高強(qiáng)度材料，一方面是它的強(qiáng)度高（即許用應(yīng)力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴(kuò)展的能力要隨著強(qiáng)度的增高而下降。因此，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(wèn)題，就存在一定的危險(xiǎn)性。 斷裂力學(xué)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。 通過(guò)對(duì)大量結(jié)構(gòu)斷裂事故分析表明，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。為了度量含裂紋結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度，在斷裂力學(xué)中運(yùn)用了應(yīng)力強(qiáng)度因子KI（或K、K）和斷裂韌度KIC (或KC、KC）這兩個(gè)新的度量指標(biāo)來(lái)判別結(jié)構(gòu)安全性，即：KIKIC時(shí)，裂紋不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展。KIKIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。3-3 機(jī)械零件的抗斷裂強(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)度第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度一、曲面接觸情況及彈性變形齒輪、滾動(dòng)軸承3-4 機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度B1FO1O22b2H21F212H2bF1O1O2F內(nèi)圓柱未變形外圓柱未變形接觸面 當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接觸時(shí)，其接觸的局部會(huì)引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力（初始接觸處的壓應(yīng)力）稱為接觸應(yīng)力。1和2 分別