第3章机械零件的强度剖析课件

湘潭大学专用 第第3章章机械零件的强度机械零件的强度3-1 材料的疲劳强度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 3-5 机械零件可靠性设简介(略)湘潭大学专用 一、应力的种类一、应力的种类ot=常数常数脉动循环变应力脉动循环变应力r=0静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化平均应力平均应力:应力幅应力幅:循环变应力循环变应力变应力的循环特性变应力的循环特性:对称循环变应力对称循环变应力r=-1-脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1=0=0 +1 +1-静应力静应力maxmTmaxminaamotmaxminaaototaaminr=+1静应力是变应力的特例3-1 材料的疲劳特性 湘潭大学专用 变应力下，零件的损坏形式是变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低低，甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不管脆性材料或塑性材料，零件表层产生微小裂纹；零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：疲劳断裂过程：随着循环次数增加，微裂随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；纹逐渐扩展；当当剩余材料不足以承受载剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。荷时，突然脆性断裂。疲劳断裂是与应力循环次数疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命即使用寿命)有关的断裂。有关的断裂。疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂具有以下特征：断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。表面光滑表面光滑表面粗糙表面粗糙湘潭大学专用 maxN二、二、s sN疲劳曲线疲劳曲线 用参数用参数max表征材料的疲表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：图所示的疲劳曲线。称为：s sN疲劳曲线疲劳曲线 104C在原点处在原点处，对应的应力循环，对应的应力循环次数次数为为N=1/4，意味着在加载意味着在加载到最大值时材料被拉断。显到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限然该值为强度极限B。B103tBAN=1/4在在AB段，应力循环次数段，应力循环次数103max变化很小，可以近似看作为变化很小，可以近似看作为静应力强度。静应力强度。BC段，段，N=103104，随着，随着Nmax,疲劳现象明显。疲劳现象明显。因因N较小，特称为：较小，特称为：低周疲劳低周疲劳。湘潭大学专用 由于由于N ND D很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数环次数N N0 0(称为循环基数称为循环基数)，用，用N N0 0及其相对应的疲劳极限及其相对应的疲劳极限r来近似代表来近似代表N ND D和和 rr。maxNrN0107CDrNNBAN=1/4 D点以后的疲劳曲线呈一水点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其平线，代表着无限寿命区其方程为：方程为：实践证明，机械零件的疲劳实践证明，机械零件的疲劳大多发生在大多发生在CD段。段。可用下式描述：可用下式描述：于是有：于是有：104CB103湘潭大学专用 CD CD区间内循环次数区间内循环次数N N与疲与疲劳极限劳极限s srN的关系为：的关系为：式中，式中，s sr、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。试验结果表明在试验结果表明在CDCD区间内，试件经过相应次数的边区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D D点以后，如果点以后，如果作用的变应力最大应力小于作用的变应力最大应力小于D D点的应力（点的应力（max r），），则无论循环多少次，材料都不会破坏。则无论循环多少次，材料都不会破坏。CDCD区间区间-有限疲劳寿命阶段有限疲劳寿命阶段 D D点之后点之后-无限疲劳寿命阶段无限疲劳寿命阶段 高周疲劳高周疲劳 maxNrN0107CBAN=1/4104CB103DrNN湘潭大学专用 am应力幅应力幅平均应力平均应力amS-1amS-1 材料的疲劳极限曲线也可用材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数在特定的应力循环次数N N下，极下，极限应力幅之间的关系曲线来表限应力幅之间的关系曲线来表示，特称为示，特称为等寿命曲线等寿命曲线。简化曲线之一简化曲线之一简化曲线之二简化曲线之二三、等寿命疲劳曲线三、等寿命疲劳曲线实际应用时常有两种简化方法。实际应用时常有两种简化方法。S-145湘潭大学专用 amS45-1O简化等寿命曲线（极限应力线图）：简化等寿命曲线（极限应力线图）：已知已知A(0，-1)D(0/2，0/2)两点两点坐标，求得坐标，求得A直线的直线的方程为：方程为：A直线上任意点代表了一定直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。循环特性时的疲劳极限。对称循环：对称循环：m=0A脉动循环：脉动循环：m=a=0/2说明说明C直直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。力。0/20/245DmaC直线上任意点直线上任意点N 的坐标为的坐标为（m，a）由由中两条直角边相等可求得中两条直角边相等可求得 C直线的方程为：直线的方程为：aGCN湘潭大学专用 amS45-1GC0/20/245DCGAO而正好落在而正好落在AGC折线上折线上时，表示应力状况达到疲时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。劳破坏的极限值。对于碳钢，对于碳钢，y y0.10.2，对于合金钢，对于合金钢，y y0.20.3。公式公式中的参数中的参数y y为试件受循环弯曲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：应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：当应力点落在当应力点落在OAGC以外以外时，一定会发生疲劳破坏。时，一定会发生疲劳破坏。当循环应力参数（当循环应力参数（m，a）落在）落在OAGC以内时，以内时，表示不会发生疲劳破坏。表示不会发生疲劳破坏。湘潭大学专用 材料材料S-1DAGCamo3-2 机械零件的疲劳强度计算 一、零件的极限应力线图一、零件的极限应力线图由于材料试件是一种特殊由于材料试件是一种特殊的结构，而实际零件的几何的结构，而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等与材料试件有及强化因素等与材料试件有区别，使得零件的疲劳极限区别，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。要小于材料试件的疲劳极限。定义弯曲疲劳极限的综合影响系数定义弯曲疲劳极限的综合影响系数：在不对称循环时，在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。是试件与零件极限应力幅的比值。-1 0/20/2零件的对称循环弯曲疲劳极限为：零件的对称循环弯曲疲劳极限为：-1e设材料的对称循环弯曲疲设材料的对称循环弯曲疲劳极限为：劳极限为：-145DAG45-1e零件零件湘潭大学专用 amoS-1DAGC-1 AG45-1e45D直线直线A的方程为：的方程为：直线直线C的方程为：的方程为：ae-零件所受极限应力幅；零件所受极限应力幅；me-零件所受极限平均应力；零件所受极限平均应力；y ye-零件受弯曲的材料特性；零件受弯曲的材料特性；弯曲疲劳极限的综合影响系数弯曲疲劳极限的综合影响系数 反映了：应力集中、反映了：应力集中、尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。其计算公式如下：其计算公式如下：其中：其中：k-有效应力集中系数；有效应力集中系数；-表面质量系数；表面质量系数；-尺寸系数；尺寸系数；q-强化系数。强化系数。CG湘潭大学专用 对于切应力同样有如下方程：对于切应力同样有如下方程：其中的系数：其中的系数：k 、与与 k、q 相对应；相对应；教材附表教材附表3-13-11详细列出了零件的典型结构、尺寸、详细列出了零件的典型结构、尺寸、表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合影响影响。下面列举了部分图表。amoS-1DAGC-1 0/20/245DAG45-1e湘潭大学专用 有效应力集中系数有效应力集中系数k 湘潭大学专用 湘潭大学专用 湘潭大学专用 1.00.80.60.40.2400600800100012001400B/Mpa精车精车粗车粗车未加工未加工磨削磨削抛光抛光钢材的表面质量系数钢材的表面质量系数表面高频淬火的强化系数表面高频淬火的强化系数q 7201.31.630401.21.57201.62.830401.55试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 湘潭大学专用 NM二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时，进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的首先根据零件危险截面上的 max及及 min确定平均应力确定平均应力m与与应力幅应力幅a，然后，在极限应力，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作线图的坐标中标示出相应工作应力点应力点M M或或N N。两种情况分别讨论amoS-1CAG-1eD 相应的疲劳极限应力应是极相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线限应力曲线AGC上的某一个点上的某一个点M M或或N N所代表的应力所代表的应力(m，a)。M或或N的位置确定与循环应力变化规律有关。的位置确定与循环应力变化规律有关。am应力比为常数：应力比为常数：r=C可能发生的应可能发生的应力变化规律：力变化规律：平均应力为常数平均应力为常数m=C 最小应力为常数最小应力为常数min=C计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：湘潭大学专用 amO-1CAG-1eD1)r=Const 通过联立直线通过联立直线OM和和AG的方程可求解的方程可求解M1点的坐标为：点的坐标为：作射线作射线OM，其上任意，其上任意一点所代表的应力循环都一点所代表的应力循环都具有相同的应力比。具有相同的应力比。M1为为极限应力点，其坐标值极限应力点，其坐标值me，ae之和就是对应于之和就是对应于M点的极限应力点的极限应力max。SamMmeae也是一个常数。也是一个常数。M1湘潭大学专用 ae计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：-1-1eamOCADSGN点的极限应力点点的极限应力点N N1位于直位于直线线CG上，上，meaeamN N1有：有：这说明工作应力为这说明工作应力为N点时，首点时，首先可能发生的是屈服失效。故先可能发生的是屈服失效。故只需要进行静强度计算即可。只需要进行静强度计算即可。强度计算公式为：强度计算公式为：凡是工作应力点落在凡是工作应力点落在OGC区域内，在循环特性区域内，在循环特性r=常常数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行静强度计算。静强度计算。湘潭大学专用 am-1-1eamOCADSG2)m=Const 此时需要在此时需要在AG上确定上确定M2，使得：，使得：m=m M显然显然M2在过在过M点且纵轴平点且纵轴平行线上，该线上任意一点所行线上，该线上任意一点所代表的应力循环都具有相同代表的应力循环都具有相同的平均应力值。的平均应力值。M2通过联立直线通过联立直线MM2和和AG的方程可求解的方程可求解M2点的坐标为：点的坐标为：计算安全系数及疲计算安全系数及疲劳强度条件为：劳强度条件为：湘潭大学专用-1-1eamOCADSG45am-1-1eamOCADSG同理，对于同理，对于N点的极限应力点的极限应力为为N N2点。点。N N2由于落在了直线由于落在了直线CG上，故只上，故只要进行静强度计算：要进行静强度计算：计算公式为：计算公式为：3)min=Const MM3此时需要在此时需要在AG上确定上确定M3，使得：，使得：min=min 因为：因为：min=m-a=C过过M点作点作45直线，其上任意一直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同点所代表的应力循环都具有相同的最小应力。的最小应力。M3位置如图。位置如图。minML湘潭大学专用 在在OAD区域内，最小应力均区域内，最小应力均为负值，在实际机器中极少为负值，在实际机器中极少出现，故不予讨论。出现，故不予讨论。通过通过O、G两点分别作两点分别作45直线，直线，I得得OAD、ODGI、GCI三个区域。三个区域。PLQminQ0 0minM-1e-1amOCASGMM3D而在而在GCI区域内，极限应力统区域内，极限应力统为屈服极限。按静强度处理：为屈服极限。按静强度处理：只有在只有在ODGI区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。通过联立直线通过联立直线MM2和和AG的方程可求解的方程可求解M2点的坐标点的坐标值后，可得到值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：湘潭大学专用 规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算三、单向不稳定变应力时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，则若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力应力1每循环一次对材料的损伤率即为每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环，而循环了了n1次的次的1对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环。如此类推，循环了了n2次的次的2对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n2/N2，。不稳定不稳定变应力变应力规律性规律性非规律性非规律性用统计方法进行疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强度计算按损伤累按损伤累积积假说进行疲劳强度计算假说进行疲劳强度计算如汽车钢板弹簧的载荷与应力受载重量、行车速度、轮胎充气成都、路面状况、驾驶员水平等因素有关。1n12n23n34n4maxnOmaxNO1n1N12n2N23n3N3-1-1ND而低于而低于-1的应力可以认为不构成破坏作用。的应力可以认为不构成破坏作用。湘潭大学专用 当损伤率达到当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：应于极限状况有：实验表明：实验表明：1）当应力作用顺序是先大）当应力作用顺序是先大后小时，等号右边值后小时，等号右边值1；一般情况有：一般情况有：极限情况：极限情况：湘潭大学专用 若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有：若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有：令不稳定变应力的计算应力为：令不稳定变应力的计算应力为：则：则：ca-1，其强度条件为：，其强度条件为：四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力s sa a 和和t ta a时，由实验得出的极限应力关系式为：时，由实验得出的极限应力关系式为：湘潭大学专用 CD 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，则图中M点对应于M点的极限应力。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。Oa-1ea-1eABMDCM计算安全系数：强调代入第一个公式湘潭大学专用 将将t ta及及s sa代入到极限应力关代入到极限应力关系可得：系可得：而而 是是只承受切向应力或只承受法向应力时的计算安全系数。只承受切向应力或只承受法向应力时的计算安全系数。于是求得计算安全系数：于是求得计算安全系数：说明只要工作应力点说明只要工作应力点M M落在极限区域以内，就不会落在极限区域以内，就不会达到极限条件，因而总是安全的。达到极限条件，因而总是安全的。CDOa-1ea-1eABMDCM 当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环时，有：当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环时，有：湘潭大学专用 五、许用安全系数的选取五、许用安全系数的选取 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1 1）静静应力下，塑性材料力下，塑性材料的零件：的零件：S=1.2S=1.2.5.5 铸钢件：铸钢件：S=1.S=1.5.5S S典型机械的典型机械的 S S 可通过查表求得。可通过查表求得。无表可查时，按无表可查时，按以下原则取：以下原则取：零件尺寸大，结构笨重。零件尺寸大，结构笨重。S S 可能不安全。可能不安全。）静静应力下，力下，脆脆性材料，性材料，如高强度钢或铸铁：如高强度钢或铸铁：S=3S=34 43 3）变变应力下，力下，S=1.3S=1.31.71.7材料不均匀，或计算不准时取：材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7S=1.72.52.5湘潭大学专用 六、提高机械零件疲劳强度的措施六、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，采用具有在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。化处理。适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中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。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影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。措施。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹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，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能的尺寸，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。更为显著的作用。减载槽减载槽 在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采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。用减载槽来降低应力集中的作用。湘潭大学专用 在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力在工程实际中，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。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。材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。断裂力学断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构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。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，结构内部裂纹通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。3-3 3-3 机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度 湘潭大学专用 为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了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应力强度因子KI（或（或K、K）和断裂韧度）和断裂韧度KIC(或或KC、KC）这两个新的度量指标来判别结构安全性，即：）这两个新的度量指标来判别结构安全性，即：KIKIC时，裂纹不会失稳扩展。时，裂纹不会失稳扩展。KIKIC时，裂纹失稳扩展。时，裂纹失稳扩展。湘潭大学专用 34机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B机机械械零零件件中中各各零零件件之之间间的的力力的的传传递递，总总是是通通过过两两个个零零件件的的接接触触形形式式来来实实现现的的。常常见见两两机机械械零零件件的的接接触触形式为点接触或线接触。形式为点接触或线接触。湘潭大学专用 若若两两个个零零件件在在受受载载前前是是点点接接触触或或线线接接触触。受受载载后后，由由于于变变形形其其接接触触处处为为一一小小面面积积，通通常常此此面面积积甚甚小小而而表表层层产产生生的的局局部部应应力力却却很很大大，这这种种应应力力称称为为接接触触应应力力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。F F 2 O2 1 O1 2 2 O21 1 O1F F 22bsH1变形量B接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀后后果果：减减少少了了接接触触面面积积、损损坏坏了了零零件件的的光光滑滑表表面面、降降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。湘潭大学专用 b b由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比：1=2=0.3,则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式“+”用于外接触，用于外接触，“-”用于内接触。用于内接触。H HH H21Fn1Fnb b2H HH H湘潭大学专用 H H-最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力;b b-接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;-综合曲率半径综合曲率半径;-综合弹性模量综合弹性模量;E1、E2分别为两分别为两圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：b bFn