机械零件强度课件

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,3-5,机械零件可靠性设计简介,3-1 材料的疲劳特性3-2 机械零件的疲劳强度计算3,第三章 机械零件的强度,强度理论:,是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论。材料在外力作用下有两种不同的破坏形式：,一是在不发生显著,塑性变形,（,永久变形,）时的突然断裂,称为,脆性,破坏;,二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为,塑性,破坏。破坏的原因十分复杂。,应力:,单位面积上所承受的附加内力。,屈服极限,s,：,材料,受外力到一定限度时，即使不增加,负荷,它仍继续发生明显的,塑性变形,。这种现象叫“,屈服,”。发生屈服现象时的,应力,，称屈服极限。,强度极限,B,：,材料在受力过程中，从开始加载直至断裂,的整个过程中，按杆件原截面计算所能达,到的最大应力值。,第三章 机械零件的强度强度理论:应力: 单位面积上所承受的附,第三章 机械零件的强度,静应力下的许用应力,静应力下，零件材料的破坏形式：,断裂,或,塑性变形。,1.塑性材料的许用应力:,取屈服极限,S,作为极限应力,许用应力为：,2.脆性材料的许用应力：,取强度极限,B,作为极限应力,许用应力为：,变应力下的许用应力,变应力下，零件,材料的破坏形式:,疲劳断裂。,材料的分类:,（1）塑性材料：,钢，,含碳量2%,第三章 机械零件的强度静应力下的许用应力静应力下，零件材料的,3-1 材料的疲劳特性,零件疲劳破坏的过程：,疲劳裂纹源,微观裂纹扩展,宏观裂纹扩展,瞬时断裂,疲劳裂纹源：,表面滑移带、晶界 、内部非金属夹杂物、,表面机械划伤、焊接裂纹、锻造缺陷、零件的轴肩、,键槽、缺口等。,疲劳破坏的特点：,1.破坏时应力,远小于,B, 甚至,小于,S。,2.脆性和塑性材料都表现为突然,脆性断裂。破坏前无明显塑性变形。,3.破坏断口表面明显地分成：,光滑表面疲劳区,和,粗糙表面断裂区,。,疲劳是零件长期在,变应力,条件下工作引起的。,3-1 材料的疲劳特性零件疲劳破坏的过程：疲劳裂纹源：表面,3-1 材料的疲劳特性,循环变应力的描述:,m, 平均应力；,a,应力幅值,max, 最大应力；,min, 最小应力,r,应力比（循环特性）,r = -1,对称循环变应力,r = 0,脉动循环变应力,r = 1,静应力,非对称循环变应力,典型循环变应力,s,0,s,-1,s,+1,3-1 材料的疲劳特性循环变应力的描述:m 平均应力,3-1材料的疲劳特性,表示在,给定循环特性下,N,的关系。,CD,段,：,N10,4,高周疲劳,r N,有限寿命疲劳极限,脉动,循环时，,弯曲疲劳极限,r,= ,0,对称,循环时，,弯曲疲劳极限,r,=,-1,(一),N,疲劳曲线 (实验得出),rN, 循环,N,次的疲劳极限,m, 寿命指数,N, 试件实际循环次数,r, D点疲劳极限,与N无关,。,N,0, 人为设定的循环次数,( N,0, N,D ,N,0,10,7,),CD曲线上任意点疲劳极限表达式,疲劳曲线方程,：,AC,段,:,N10,4,低周疲劳,视其等同静应力强度状况,D点之后,：,N10,6,高周疲劳,r N D,(,r,),无限寿命疲劳极限,s,N,疲劳曲线,10,4,疲劳曲线方程,：,3-1材料的疲劳特性表示在给定循环特性下,N 的关系。,(二) 等寿命疲劳曲线,3-1材料的疲劳特性,(二) 等寿命疲劳曲线3-1材料的疲劳特性,m, ,a,曲线：在某一给定的,循环次数时,不同应力比的疲劳极限特性。,对称循环,极限应力点：,A,( 0,-1,),脉动循环,极限应力点：,D,(,0,/2,0,/2),静应力,极限应力点：,C,(,S,，0),A,G,疲劳强度极限线,，,线上各点极限应力数值为:,G C,屈服强度极限线,，,线上各点极限应力数值均满足：,结论：试件,材料的工作应力，只要在A,D,G,C区域内，即可满足,其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。,3-1材料的疲劳特性,A G直线方程：,试件受循环弯曲应力时的材料常数,(A G 直线的斜率),m a 曲线：在某一给定的循环次数时,不同应力比的疲,3-2 机械零件的疲劳强度计算,零件,的对称循环弯曲疲劳极限,-1e, 试件,的对称循环弯曲疲劳极限,-1,k,应力集中系数,零件尺寸系数,表面质量系数,q,零件强化系数,AG方程：,CG方程：,K,弯曲疲劳极限综合影响系数,脚标,表示在正应力条件下,零件的疲劳极限,3-2 机械零件的疲劳强度计算零件的对称循环弯曲疲劳极限,3-2机械零件的疲劳强度计算,(一) 单向稳定变应力时的疲劳强度计算 (只受一种应力),零件的,实际工作应力点,N,、,M,零件的,疲劳极限应力点,AGC,线上某点,根据零件工作时所受的约束来,确定,应力可能发生的变化规律,，从,而决定以哪一个点来表示极限应力。,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,计算安全系数及疲劳强度条件为：,S,ca,计算,安全系数,S,许用,安全系数,max,零件的疲劳,极限,应力,max,零件的实际,工作,应力,3-2机械零件的疲劳强度计算(一) 单向稳定变应力时的疲劳,OGA,区域内，,零件做,疲劳强度,计算，,M,1,点的极限应力值为,：,欲使M、M,1,具有,相同的,应力比，,则它们必在过,原点的射线上。,M (,a, ,m,), 零件,实际,工作应力点,，,M,1,(,a e, ,me,),零件的,极限,应力点,OGC,区域内，,零件做,静强度,计算，,N,1,点的极限应力值为,S,结论：,该射线上所有点的,应力比均为,r = C，,M,1,为这些点的极限应力点。,1.应力比为常数：,r = C,3-2机械零件的疲劳强度计算,OGA区域内，欲使M、M1具有相同的M (a , m,2,2,2. 平均应力为常数:,m,= C,M,、,N, 工作应力点,M,2,、,N,2, 极限应力点,M M,2,线 ,纵轴,，,线上各点具有,相同的,m,。,3-2机械零件的疲劳强度计算,M,2,点的值：,安全系数校核公式：,在,HGC,区域,只做,静强度,计算。,222. 平均应力为常数: m = CM 、N 工,M, 工作应力点,M,3, 极限应力点,M M,3,线与,横轴,相交,45,，,线上各点具有,相同的,min,。,3. 最小应力为常数:,min,= C,3-2机械零件的疲劳强度计算,min,= ,m,-,a,3,3,min,安全系数校核公式：,在,IGC,区域,只做,静强度,计算。,M 工作应力点3. 最小应力为常数: min =,4.等效对称循环变应力,5.较短使用期限时零件的疲劳强度计算,相当于把原来的不对称循环变应力折算为一个对称循环变应力，且在数值上与原来的不对称循环变应力等效。称为应力的等效转化。,当,10,4,NN,0,时，即CD段，属于,有限疲劳寿命,计算,，,公式中的极限应力应按,rN,求出。,3-2 机械零件的疲劳强度计算,对于对称循环来说，,-1,既是最大应力，也是应力幅。,K,a,项本身就是应力幅。如果将,m,项看做是折算后的应力幅，则式（3-17）就是一个应力幅的比例式。,式（3-17）,把平均应力折算为应力幅的等效系数。,4.等效对称循环变应力5.较短使用期限时零件的疲劳强度计算,规律性不稳定变应力,(二) 单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,当损伤率达到,100%,时，材料即发生疲劳破坏。,用统计方法进行疲劳强度计算,不稳定变应力,非规律性,规律性,按,损伤累,积,假说,进行疲劳强度计算,疲劳损伤积累假说,Z, 变应力级数,3-2机械零件的疲劳强度计算,材料疲劳曲线,故对应于极限状况有：,1,循环,1次,材料的损伤率为,1/,N,1,。,1,循环,n,1,次,材料的损伤率为,n,1,/,N,1,。,规律性不稳定变应力(二) 单向不稳定变应力时的疲劳强度计算当,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,机械零件的疲劳强度计算6,（三）双向稳定变应力时的疲劳强度计算,M, 零件上同时作用的同相位稳定对称循环,切应力,a,和,正应力,a,。,M, 同时作用的切向及法向应力幅的,极限值,a,、,a,。,工作应力点在,AM,B弧线,内，因而是安全的。,对称循环:,a,= ,max,计算安全系数：,3-2 机械零件的疲劳强度计算,极限应力关系式为：,AM,B,曲线在坐标系中是一个圆。,而：,机械零件的疲劳强度计算6（三）双向稳定变应力时的疲劳强度计算,（四）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。,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，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。,3-2 机械零件的疲劳强度计算,（四）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,3,机械零件的,抗断裂,强度,3-3 机械零件的抗断裂,强度,低应力脆断：,工作应力 许用应力,发生原因：,大型结构件、焊接件、工作条件复杂、载荷形式多样，,高强度材料抵抗裂纹扩展的能力要,随着强度的增高而下降,。,断裂力学, 是研究带有,宏观裂纹,或带有尖缺口的结构或构件的,强度和变形规律的学科。,发生场合：,高强度,或,材料结构、大型焊接件。,度量含裂纹结构体的强度，判别结构安全性的参数：,K,I,K,IC,时，裂纹不会失稳扩展。,K,I,K,IC,时，裂纹失稳扩展。,提醒设计者：,对高强度材料结构、大型焊接件，,传统的强度理论计算不,再适用，而应考虑防止发生低应力断裂问题。,K,I, 应力强度因子。 反映裂纹顶端附近各点应力大小的物理量。,K,IC, 断裂韧度。反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力。,3机械零件的抗断裂强度3-3 机械零件的抗断裂强度,3-4 机械零件的接触强度,接触应力,当两零件以点、线相接触时，,其接触的局部引起的应力。,其特点是：,仅在局部,很小的区域内产生很,大的应力。,赫兹应力公式：（,线接触）,F, 作用于接触面上的总压力。,B, 初始接触线总长度。,1,、,2,零件沿连心线方向的弹性位移。,1,、,2,分别为两零件初始接触线处的曲率半径。,H,接触面上的应力最大值。,3-4 机械零件的接触强度 接触应力当两零件,3-5 机械零件可靠性设计简介,传统设计方法,将设计变量作为确定性变量。,可靠性设计方法, 将设计变量考虑为随机变量。,可靠度,产品在规定工作条件和寿命下，,完成规定功能的概率。,3-5 机械零件可靠性设计简介传统设计方法 将设计变量,第三章 机械零件的强度,1.,变应力的种类及定义。,2., - N疲劳曲线、等寿命疲劳曲线中各点、各线段的意义及用途。,3.,根据给定数据，绘制试件和零件的极限应力简图。,4.,机械零件的接触强度概念。,5.,max,，,min,，,m,，,a,，,-1,，,0,，r，N，N,0,，,，K,的物理意义。,6.,掌握单向稳定变应力,r = c;,m,= c; ,min,= c,的循环特性。,根据工作应力点的位置，确定极限应力点的位置。,7.,会查本章附录有关线图和数表。,知识要点:,第三章 机械零件的强度 1. 变应力的种类及定,