第二章机械零件的强度

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 机械零件的强度,21,载荷与应力的分类,一、载荷的分类,1,）循环变载荷,a),稳定循环变载荷,b),不稳定循环变载荷,2,）随机变载荷,静载荷,变载荷：,载荷：,1,）名义载荷,2,）计算载荷,1,随机变应力,静应力,规律性不稳定变应力,二、应力的分类,1,、应力种类,变应力：,不稳定变应力：,稳定循环变应力,2,2,、稳定循环变应力的基本参数和种类,a),基本参数,应力循环特性,最大应力,最小应力,平均应力,应力幅,b),稳定循环变应力种类：,-1,+1,不对称循环变应力,=+1,静应力,=1,对称循环变应力,=0,脉动循环变应力,3,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,名义应力,由名义载荷产生的应力,计算应力,由计算载荷产生的应力,3,）名义应力和计算应力,4,一、单向应力下的塑性零件,强度条件：,或,22,静应力时机械零件的强度计算,二、复合应力时的塑性材料零件,按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算,由第三强度理论,（最大剪应力理论）,由第四强度理论：,（最大变形能理论）,5,复合应力计算安全系数为：,三、脆性材料与低塑性材料,脆性材料极限应力：（强度极限）,1,、单向应力状态,强度条件：,或,或,失效形式：断裂,6,按第一强度条件：,（最大主应力理论）,注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）,强度计算应计入应力集中的影响,脆性材料（铸铁）,强度计算不考虑应力集中,一般工作期内应力变化次数,10,3,（,10,4,）按静应力强度计算,2,、复合应力下工作的零件,7,1,、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）,2,、疲劳破坏特征：,1,）断裂过程：,产生初始裂纹（应力较大处）,裂纹尖端在切应力作用下，反复扩,展，直至产生疲劳裂纹。,2,）断裂面：,光滑区（疲劳发展区）,粗糙区（脆性断裂区）,3,）无明显塑性变形的脆性突然断裂,4,）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限,2-3,机械零件的疲劳强度计算,一、变应力作用下机械零件的失效特征,3,、疲劳破坏的机理：损伤的累积,4,、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，,应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响,。,8,二、材料的疲劳曲线和极限应力图,疲劳极限，循环变应力下应力循环,N,次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限,疲劳寿命（,N,）,材料疲劳失效前所经历的应力循环次数,N,1,、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,No,循环基数,持久极限,1,）有限寿命区,当,N,10,3,(10,4,),高周循环疲劳当 时随循环次数,疲劳极限,注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。,2,）无限寿命区,持久极限,对称循环：,脉动循环：,3,）疲劳曲线方程,10,寿命系数,疲劳极限,几点说明：,No,硬度,350HBS,钢，,No=10,7,350HBS,钢，,No=(10-25)x10,7,有色金属,(,无水平部分,),，规定当,No25x10,7,时,近似为无限寿命区,m,指数与应力与材料的种类有关。,钢,m=9,拉、弯应力、剪应力,m=6,接触应力,青铜,m=9,弯曲应力,m=8,接触应力,11,应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。,对称循环（应力循环特性,=-1,）最不利,2,、材料的疲劳极限应力图,同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图（图）,对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力,=,，再由应力循环特性可求出,和 、,以 为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限 和 的关系图,12,如图,AB,脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限,A,对称疲劳极限点,D,脉动疲劳极限点,B ,屈服极限点,C ,强度极限点,13,上各点：如果 不会疲劳破坏,上各点：如果 不会屈服破坏,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。,材料的简化极限应力线图，可根据材料的和三个试验数据 和 而作出,14,对称极限点,强度极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,简化极限应力线图：,简化极限应力图,作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得,及延长线,考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得,15,由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以,应力集中、零件尺寸和表面状态,三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。,三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图,1,、应力集中的影响,有效应力集中系数,零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感,为考虑零件几何形状的理论应力集中系数,应力集中源处名义应力,材料对应力集中的敏感系数,应力集中源处最大应力,16,2,、零件尺寸的影响,尺寸系数,由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著,3,、表面状态的影响,1,）表面质量系数,零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响,钢的 越高，表面愈粗糙，愈低,强化处理,评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺,2,）表面强化系数,考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响,17,应力集中，零件尺寸和表面状态 只对应力幅 有影响，而对平均应力 无影响,试验而得,4,、综合影响系数 和零件的极限应力图,综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值,1,）综合影响系数,18,2,、零件的极限应力图,由于 只对 有影响，而对 无影响，,在材料的极限应力图,A,D,G,C,上几个特殊点以坐标计入 影响,零件脉动循环疲劳点,零件对称循环疲劳点,AG,许用疲劳极限曲线，,GC,屈服极限曲线,19,直线,AG,方程,:,零件的材料特性,标准试件中的材料特性,直线,CG,方程：,20,四、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,1,、,大多数转轴中的应力状态,过原点与工作应力点,M,或,N,作连线交,ADG,于,M,1,和,N,1,点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同,M,1,和,N,1,点即为所求的极限应力点,21,a),当工作应力点位于,OAG,内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算,零件的极限应力，疲劳极限：,强度条件为：,b),工作应力点位于,OGC,内,极限应力为屈服极限，按静强度计算,22,2,、,振动中的受载弹簧的应力状态,需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力，如图，过工作应力点,M,（,N,）,作与纵轴平行的轴线交,AGC,于,M,2,（,N,2,）,点，即为极限应力点,a),当工作应力点位 于,OAGH,区域,极限应力为疲劳极限,强度条件：,b,）,工作应力点位于,GHC,区域,极限应力为屈服极限,强度条件为：,23,3,、,变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态,过工作应力点,M,（,N,）,作与横坐标成,45,的直线，则这直线任一点的最小应力 均相同，,直线与极限应力线图交点 即为所求极限应力点。,24,a),工作应力点位于,OJGI,区域内,求,AG,与,MM,3,的交点,:,强度条件,:,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算,25,c,）,工作应力位于,OAJ,区域内,b),工作应力点位于,IGC,区域,极限应力为屈服极限按静强度计算,极限应力点为,静强度条件,为负值，工程中罕见，故不作考虑。,26,5,）等效应力幅,注意：,1,）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用,=C,的情况计算,2,）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数,10,3,(10,4,),NN,o,时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限,，即应以,-1N,代,-1,，以,oN,代,o,3,）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况,4,）对切应力上述公式同样适用，只需将,改为,即可。,27,五、双向稳定变应力时的疲劳强度计算,1,、对称循环稳定变应力,当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力,a,和,a,时，经试验后极限应力关系为,a,a,同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（,同时作用,）,-1e,-1e,为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（,单独作用）,在以 的坐标系中为一个单位圆,28,圆弧,AM,B,任何一点即代表一对极限应力,a,和,a,，,如果工作应力点,M,（）,在极限圆以内，则是安全的。,M,点所对应的极限应力点,M,确定时，一般认为 比值不变（多数情况如此），,M,点在,OM,直线的延长线上，如图所示,M,强度条件为：,零件只受对称循环切应力时的安全系数,零件只受对称循环正应力时的安全系数,29,2-4,机械零件的接触强度,高副零件工作时，理论上是点接触或线接触,实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触,由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度,计算依据：弹性力学的赫兹公式,1,、接触应力,a),两圆柱体接触,30,b),两球接触,综合曲率半径,说明：,1,）圆柱体 ，球,Hmax,与,F,不呈线性关系,31,3,）同样的,p,1,、,p,2,下，内接触时,较小，,Hmax,较小，约为外接触时的,48%,，,重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸,。,2,）圆柱体 ，球,越大，,Hmax,越小,2,、失效形式,静应力,:,表面压碎,脆性材料,表面塑性变形,塑性材料,变应力：疲劳点蚀,齿轮、滚动轴承的常见失效形式。,32,3,、提高接触疲劳强度的措施,1,）控制最大接触应力,2,）提高接触表面硬度，改善表面加工质量,3,）增大综合曲率半径,4,）改外接触为内接触，点接触,线接触,5,）采用高粘度润滑油,33,