《机械零件的强度》PPT课件.ppt

3-1 材料的疲劳特性,3-2 机械零件的疲劳强度计算,3-3 机械零件的抗断裂强度,3-4 机械零件的接触强度,第三章 机械零件的强度,强度准则是机械零件设计的最基本准则。 机械零件的强度分为：静应力强度、变应力强度 对在整个工作寿命期间应力变化次数小于等于103 的零件，均按静应力强度进行设计。 本章着重讨论零件在变应力下的疲劳、低应力脆断和接触强度等。,3-1 材料的疲劳特性,3-1 材料的疲劳特性,一、变应力,指随时间变化的应力,r = -1 对称循环变应力,r=0 脉动循环变应力,r=1 静应力,变应力,循环变应力,随机变应力,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,非对称循环变应力,对称循环变应力,脉动循环变应力,循环变应力：指具有周期性的变应力。,r+1、1、0 非对称循环变应力,不稳定循环变应力,随机变应力,3-1 材料的疲劳特性,sm平均应力； sa应力幅值,smax最大应力； smin最小应力,r 应力比（循环特性）,为了表示稳定循环变应力状况，引入下列变应力参数：,3-1 材料的疲劳特性,材料的疲劳特性可用最大应力max、应力循环次数N、应力比r 来描述，其通过试验可测得。 在材料的标准试件上加上一定应力比（r=-1或r=0）的等幅变应力，且记录下材料试件在不同最大应力时引起其疲劳破坏所经历的应力循环次数N即可。,材料的疲劳特性可用如下两种曲线来描述： 1. N 疲劳曲线 2. 等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,二、 材料的疲劳特性,3-1 材料的疲劳特性,机械零件的疲劳大多发生在sN曲线的CD段，可用下式描述：,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着 无限寿命区其方程为：,由于ND有时很大，所以在作疲劳试验时， 常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r，于是有：,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：,式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。,1. sN疲劳曲线,sN疲劳曲线,详细说明,它描述了在一定应力比下，疲劳极限(最大应力max )与应力循环次数N 的关系。,m为材料常数，由试验定。,3-1 材料的疲劳特性,2. 等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,等寿命疲劳曲线描述了在一定应力循环次数N下，极限平均应力m与极限应力幅a的关系。该曲线也表达了不同应力比时，材料疲劳极限的特性。,在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。,如图A C双折线极限应力线图就是一种常用的近似替代线图。,A直线的方程为：,C直线的方程为：,y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。,分别为试件受循环弯曲应力时的极限应力幅、极限平均应力,材料的极限应力线图,详细介绍,3-2 机械零件的疲劳强度计算,3-2 机械零件的疲劳强度计算,一、零件的极限应力线图,由于零件几何形状及尺寸的变化、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,若以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,将材料极限应力线图中的直线ADG 按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线 CG 部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不需进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。,零件的极限应力线图,详细介绍,3-2 机械零件的疲劳强度计算,直线AG的方程为： 直的 CG的方程为： 分别可用下式计算：,分别为零件受循环弯曲应力时的极限应力幅、极限平均应力和材料常数。,分别为零件的有效应力集中系数、尺寸系数、表面质量系数和强化系数。,对于切应力，可以仿照上述正应力相应公式进行计算,3-2 机械零件的疲劳强度计算,二、单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定 平均应力m与应力幅a，然后，在零件极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。,根据零件工作时载荷变化规律和所受约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来作为极限应力。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C,强度计算时所用的极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。,计算安全系数及疲劳强度条件为：,详细分析,规律性不稳定变应力,3-2 机械零件的疲劳强度计算,三、单向不稳定变应力时零件的疲劳强度计算,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。,当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,详细分析,3-2 机械零件的疲劳强度计算,四、双向稳定变应力时零件的疲劳强度计算,当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa 和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：,式中 ta及sa为同时作用的切向及法向应力 幅的极限值。,若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示，则由于此工作应力点在 极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线 AMB 上任何一个点即代表一对 极限应力a及a。,计算安全系数：,详细推导,3-2 机械零件的疲劳强度计算,五、提高机械零件疲劳强度的措施,在综合考虑零件的性能要求和经 济性后，采用高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和表面强化处理。,适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。,尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要 措施。,尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，这对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,减载槽,在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。,3-3 机械零件的抗断裂强度,3-3 机械零件的抗断裂强度,在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，这种现象称为低应力脆断。,对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。,断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。,通过对大量结构断裂事故分析表明：大部分低应力脆断都发生在高强度钢材的结构或大型焊接件中，而结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力脆断的内在原因。,为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了应力强度因子KI（或K、K ，反映裂纹顶端附近各点应力大小 ）和平面应变断裂韧度KIC (或KC、KC ，反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力）这两个新的度量指标来判别结构的安全性，即：,KIKIC时，裂纹不会失稳扩展,KIKIC时，裂纹失稳扩展,3-4 机械零件的接触强度,3-4 机械零件的接触强度,当两零件以点或线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。,接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力； 接触应力是一个脉动循环变应力。,式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外接触，负号用于内接触；B为初始接触线长度。,对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。,更多图片,