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,*,第三章 机械零件的强度,2-1,概 述,一、疲劳破坏,机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的 ，,应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次,数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部,将出现,（萌生）裂纹,。之后，裂纹又,逐渐扩展,直到,发生完全断裂,。这种缓,慢形成的破坏称为“,疲劳破坏,”。,“疲劳破坏”是循环应力作用下零件的主要失效形式。,疲劳破坏的特点,a),疲劳断裂时：受到的 低于 ，甚至低于 。,b),断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑,性材料，均表现为脆性断裂。,更具突然性，更危险。,c,）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。,二、材料的疲劳特性,1,、疲劳极限,循环特性,r,一定时，应力循环,N,次后，材料不发生疲劳破坏时,的最大应力,2,、,疲劳寿命,N,：,材料疲劳破坏前所经历的应力循环次数。,不同或,N,不同时，疲劳极限 则不同。,用 表示,在疲劳强度计算中，取 。,对称循环应力,r,=-1,、,s,m,0,脉动循环应力,r,=0,、,s,min,0,静应力,r,=1,对称循环,脉动循环,常见的循环应力有,静应力,（,可看作是循环应力的一个特例,）,描述循环应力：,max,最大应力；,min,最小应力,m,平均应力,；,a,应力幅值,r,应力比（应力循环特性）,循环应力,即,N,曲线,3,、疲劳曲线,：应力循环特性,r,一定得条件下，应力循环,次数,N,与疲劳极限,rN,之间的关系曲线,max,B,C,D,N,N,D,10,4,10,3,N,0,AB,段：静应力区间，,B,点对应的应力循环次数大约为,10,3,；,BC,段：随,N,的增大，,max,下降，,C,点所对应的,N,值大约为,10,4,，这时试件断口发生塑性变形，此种破坏称为,应变疲劳,，或,低周疲劳,。,CD,段：随,N,的增大，,max,下降较快，这阶段称为,有,限寿命,阶段，也称为,高周疲劳，,rN,有限寿命疲劳极限,。,D,点以后：,D,点以后的曲线趋于水平，说明随,N,的增,多，,max,不再下降，即到,无限寿命,阶段，即,r,:,持久疲劳极限,为,D,点疲劳极限,N,D,:,一般工程材料约为,10,6,25,10,7,。,m,与材料有关的常数,C,常数,max,B,C,D,N,N,D,10,4,10,3,N,0,循环基数,N,0,对应的疲劳极限,式中：,K,N,寿命系数,任意循环,N,次的有限疲劳极限为：,简写为,r,max,B,C,D,N,N,D,10,4,10,3,N,0,代替,N,D,r,4,、材料的极限应力图（或等寿命曲线）：,描述的是在一定的应力循环次数,N,下，疲劳极限的应力幅与平均应力的关系曲线。,近似代替线图形成,OA,G,C,区域为安全区,A,G,C,折线为疲劳极限,A,点：,A,点描述对称循环应力的疲劳极限,D,点：,D,点描述脉动循环应力的疲劳极限,横坐标任一点 ，即静应力,取,C,点：,CG,上任一点代表疲劳极限为,的变应力状况。,5,、零件的极限应力图,三、机械零件的疲劳强度计算,（一）单向稳定变应力的机械零件疲劳强度,计算方法：,求出机械零件危险截面上的最大工作应力 和最小工作应力,据 和 求 与 确定工作点（应在安全区）,强度计算：所用极限应力应是极限应力曲线,AGC,上某点所代表的应力。,典型应力变化规律：,循环应力的应力比为常数，即,r=c,循环应力的平均应力为常数，即,m,=c,循环应力的最小应力为常数，即,min,=c,1,、变应力的循环特性保持不变（,r,C,）的情况,绝大多数转轴中的应力状态。,（找应力比与零件工作应力比,相同的极限应力值，建立强度,条件）,M,点：,M,1,a,D,G,m,A,M,C,M,点的极限应力为,M,1,(,me,、,ae,),计算安全系数及强度条件,N,点极限应力为,N,1,的应力值,因,N,1,在,CG,上，应力为,s,所以,N,点的破坏形式为屈服失,效，只需进行静强度计算，,强度条件为：,M,1,N,1,a,D,G,m,A,M,C,N,凡工作应力在,OCG,区，在,r=C,条件下只进行静,强度计算。,2,、,变应力的平均应力保持不变（,m,C,）的情况,M,2,N,2,a,D,G,m,A,C,M,N,H,O,振动着的受载弹簧的应力状态,M,点的极限应力为,安全系数计算值及强度条件,N,点由静强度条件计算：,HGC,区域均按,静强度计算,3,、变应力的最小应力保持不变（,min,C,）情况,a,J,G,m,A,C,M,N,minM,M,3,N,3,minN,受轴向变载荷螺栓联接的应力状态,min,m,a,C,I,AOJ,区：,min,为负值，不讨论,GIC,区：,lim,=,s,按静应力计算,a,J,G,m,A,C,M,N,M,3,I,M,点的极限应力为,OJGI,区：极限应力在疲劳极限,应力曲线,AG,上,安全系数计算值及强度条件,说明：,1,、难以确定应力变化规律的，采用,r,=,C,计算,2,、有限寿命疲劳阶段，须将公式中的 换成,3,、许用安全系数,（,1,）疲劳强度许用安全系数的一般规定：,一般,S,=1.41.7,a,、计算精度高，实验数据可靠，工艺质量材料好，,S,=1.31.4,b,、计算精度低，材料不均匀，大型零件、铸件，,S,=1.73.0,（,2,）静强度许用安全系数的一般规律,a,、高塑性钢，材料均匀性、载荷准确性、计算精确性均属,于一般情况，,S,=1.52.0,b,、低塑性、高强度钢，铸铁,S,=39,4,、疲劳强度计算总结,五、单向不稳定变应力时的疲劳强度,1,、非规律性的不稳定变应力,变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。,根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。,2,、规律性的不稳定变应力,变应力参数的变化有一个简单的规律。,利用,疲劳损伤累计假说（,Miner,法则）,进行计算。,每一次循环的损伤率：,1,N,n,次循环的损伤率：,n,N,累计损伤率为：,各应力幅无大的差别及强烈的短时过载,应力由大到小作用,应力由小到大作用,累计损伤率,100%,时，材料发生疲劳破坏,试验证明存在：,代入疲劳损伤累计公式得：,不破坏的条件：,令计算应力为：,则,安全系数,说明：,对于不对称循环的不稳定变应力，先按,求等效的对称循环变应力，然后按上述情况计算。,七、,提高机械零件疲劳强度的措施,1,、影响零件疲劳强度的因素,（,1,）零件外形的影响,由于构造和工艺上的要求，许多零件常常带有沟,槽、孔眼和台肩等，这样，在截面尺寸突变处就会,产生应力集中现象。,由于零件在应力集中处容易出现微观裂纹，从而,引起疲劳失效。,应力集中对疲劳强度降低的影响用有效应力集中,系数 表示。,工程设计中用：,（,2,）零件尺寸的影响,材料相同但尺寸大小不同的试件，其疲劳极限是,不同的，大尺寸试件的疲劳极限低于小尺寸试件的,疲劳极限。,因试件（或零件）的尺寸越大，其内部所包含的,杂质、缺陷也相应增多，出现裂纹的可能性就越,大，疲劳极限将会降低。,零件尺寸对疲劳强度的影响用尺寸系数,表示。附图,3-2,和,3-3,及附表,3-7,（,3,）零件表面加工质量的影响,零件表面粗糙度越大，疲劳极限越低。,因零件加工后表面出现的刀纹、伤痕会引起应力,集中。,零件表面加工质量对疲劳强度的影响用零件,表面质量系数 表示。附图,3-4,（,4,）零件表面强化处理的影响,对零件表面进行一些强化处理，如化学热处理、,高频表面淬火、表面硬化加工等，可提高零件疲劳,强度。,零件表面强化处理对疲劳强度的影响用零件的强,化系数 表示。附表,3-9,附表,3-11,。,2,、提高机械零件的疲劳强度：,尽可能降低应力集中；,选用疲劳强度高的材料；,选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺；,提高机械零件表面的质量；,尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹,尺寸。,1,）轴肩变化处,应力集中：截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中,2,）卸荷槽,3,）加工键槽时,八、,机械零件的接触强度,1,、定义：当两零件以点、线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力,接触应力。,接触应力分类：,按接触面几何形态,共形面接触,异形面接触,点或线接触,内或外接触,接触应力用赫兹应力计算公式计算：,九、本章小结,1,、概念：疲劳破坏（特点），疲劳极限，疲劳强度,2,、疲劳曲线和极限应力图,3,、掌握材料和零件极限应力图的区别,4,、能够利用疲劳曲线和极限应力图进行零件的疲劳,强度计算,（零件、材料的疲劳强度计算是否相同？）,5,、了解接触强度,