第二章機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)課件

第二章機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

第一節(jié)概述

一、載荷的分類

1）循環(huán)變載荷a)穩(wěn)定循環(huán)變載荷b)不穩(wěn)定循環(huán)變載荷2）隨機(jī)變載荷靜載荷變載荷1.變化名義載荷計(jì)算載荷2.作用1第二章機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)第一節(jié)概述一、載荷隨機(jī)變應(yīng)力靜應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力二、應(yīng)力的分類1.應(yīng)力種類變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力

穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力對稱循環(huán)脈動循環(huán)非對稱循環(huán)2隨機(jī)變應(yīng)力靜應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力二、應(yīng)力的分類1.應(yīng)力種2、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類1)基本參數(shù)應(yīng)力循環(huán)特性最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅2)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類-1<

γ<+1——非對稱γ=+1——靜應(yīng)力γ=–1——對稱γ=0——脈動32、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類1)基本參數(shù)應(yīng)力循環(huán)三、疲勞破壞

1.疲勞破壞特征：

1）斷裂過程：①產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）②裂紋反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。2）斷裂面：①光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）②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）破壞時應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限2.疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積3.影響因素：材料性能，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。4三、疲勞破壞2.疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積4第二節(jié)疲勞曲線和極限應(yīng)力圖疲勞極限：循環(huán)變應(yīng)力下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。疲勞壽命：材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N一、疲勞曲線

應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線。5第二節(jié)疲勞曲線和極限應(yīng)力圖疲勞極限：疲勞壽命：一、疲勞曲持久極限1）無限壽命區(qū)循環(huán)基數(shù)

持久極限對稱循環(huán)：脈動循環(huán)：61）無限壽命區(qū)循環(huán)基數(shù)對稱循環(huán)：脈動循環(huán)：62）有限壽命區(qū)

當(dāng)N<103(104)—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算。0103（104）N0lgNlgσ低周高周AB當(dāng)N>103(104)—高周循環(huán)疲勞隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓3）疲勞曲線方程72）有限壽命區(qū)0103（104）疲勞極限幾點(diǎn)說明：

2）硬度≤350HBS鋼，No=106~107；〉350HBS鋼，No=10x107

~25x107；有色金屬(無水平部分)No=25x107。3）m—指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。鋼—拉壓、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力m=9；接觸應(yīng)力m=6。青銅——彎曲應(yīng)力m=9；接觸應(yīng)力m=8。1）KN—壽命系數(shù)，N>No時，取N=No。8疲勞極限幾點(diǎn)說明：2）硬度≤350HBS鋼，No=106~二、疲勞壽命一定時，同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性下的疲勞極限圖σ-1σ0/2σ0/2σsσb0GCσmσaAEB(σrm,σra)450r:-1~+1A:對稱循環(huán)極限應(yīng)力點(diǎn)B:脈動循環(huán)極限應(yīng)力點(diǎn)C:靜強(qiáng)度極限應(yīng)力點(diǎn)9二、疲勞壽命一定時，同一種材料在不同的應(yīng)力σ-1σ0/2σ0高塑鋼AD—疲勞強(qiáng)度線；GD—屈服強(qiáng)度線。不允許塑性變形σ-1σ0/2σ0/2σsσb0GCσmσaAEB(σrm,σra)450D10高塑鋼AD—疲勞強(qiáng)度線；GD—屈服強(qiáng)度線。不允許塑性變形σ高塑鋼——AD線方程：低塑鋼或鑄鐵——AC線方程：11高塑鋼——AD線方程：低塑鋼或鑄鐵——AC線方程：11第三節(jié)影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素一、應(yīng)力集中的影響零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔、螺紋、過盈配合等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中。對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)，一般材料強(qiáng)度越高，硬度越高，對應(yīng)力集中越敏感。疲勞缺口系數(shù)

12第三節(jié)影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素一、應(yīng)力集中的影響零件受載二、零件尺寸的影響尺寸系數(shù)零件尺寸逾大時，材料的晶粒較粗；冷、熱加工中出現(xiàn)缺陷的概率大；機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對較薄，對零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著。13二、零件尺寸的影響尺寸系數(shù)零件尺寸逾大時，材料的晶粒較粗；三、表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)系數(shù)表面質(zhì)量——指表面粗糙度、表面強(qiáng)化及工作環(huán)境。強(qiáng)化處理—淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等冷作工藝。14三、表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)系數(shù)表面質(zhì)量——指表面粗糙度、表四、綜合影響系數(shù)

綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值。零件的疲勞極限15四、綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與第四節(jié)受穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強(qiáng)度一、受單向應(yīng)力時零件的安全系數(shù)ABDD1GB1A1P1σaσmσsσ0/20σ0/2KσDσ-1/KσDσ-1零件的只受單向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等零件極限應(yīng)力圖A1B1D1G疲勞強(qiáng)度線A1D1屈服強(qiáng)度線GD1直線A1D1的方程：16第四節(jié)受穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強(qiáng)度一、受單向應(yīng)力時零件的D1GA1N1σaσmσsσm0σaσ-1/KσD規(guī)律下疲勞強(qiáng)度分析圖NKMM1H確定零件危險截面上的工作應(yīng)力點(diǎn)N。在極限應(yīng)力線上確定極限應(yīng)力點(diǎn)N1。應(yīng)力增長規(guī)律：（1）難以確定零件工作應(yīng)力增長規(guī)律時。極限應(yīng)力點(diǎn)為N1。OA1D1為疲勞強(qiáng)度區(qū)OD1G為屈服強(qiáng)度區(qū)大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)

17D1GA1N1σaσmσsσm0σaσ-1/KσD規(guī)律下疲勞D1GA1N1σaσmσsσm0σaσ-1/KσDNKMM1Ha)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OA1D1內(nèi)按疲勞強(qiáng)度計(jì)算零件的疲勞極限為強(qiáng)度條件為

18D1GA1N1σaσmσsσm0σaσ-1/KσDNKMM1b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OD1G內(nèi)極限應(yīng)力為屈服極限按靜強(qiáng)度計(jì)算D1GA1N1σaσmσsσm0σaσ-1/KσDNKMM1H不易判斷工作應(yīng)力點(diǎn)落在哪個區(qū)，則按兩式同時核算兩種安全系數(shù)。19b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OD1G內(nèi)極限應(yīng)力為屈服極限D(zhuǎn)1GA1N（2）振動中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)D1GA1N1σaσmσsσm0σ-1/KσDNM1σmFEPMOA1D1E為疲勞強(qiáng)度區(qū)ED1G為屈服強(qiáng)度區(qū)a)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OA1D1E內(nèi)強(qiáng)度條件：

按兩式同時驗(yàn)算20（2）振動中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)D1GA1N1σaσmσsσ（3）緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài)D1GA1N1σaσmσsσmin0σ-1/KσDNM1σminFEPM按兩式同時驗(yàn)算21（3）緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài)D1GA1N1σaσmσs注意：1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用γ=C的情況計(jì)算。2）上述計(jì)算均為按無限壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，若按有限壽命要求設(shè)計(jì)零件時，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)<N<No時，這時上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限，即應(yīng)以σ-1N代σ-1，以σoN代σo

3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點(diǎn)所在區(qū)域時，應(yīng)同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況.4）對切應(yīng)力上述公式同