机械设计双语版第2章

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1、1,第二章 机械零件的强度 The Strength of Machine Element,2,21 载荷与应力的分类 the Types of Loading and Stress,一、载荷的分类Types of Loading,1）循环变载荷(载荷循环变化) a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷 2）随机变载荷(载荷的频率和幅值均随机变化),静载荷static load：载荷的大小和方向不随时间变化或随时间 变化缓慢。,变载荷 time varying load：,设计计算中，载荷：1）名义载荷Nominal Load 2）计算载荷Assumed Load,Load Factor,

2、3,静应力Static Stress,二、应力的分类The Types of Stress,1、应力种类,变应力 Time varying Stress：,不稳定变应力,稳定循环变应力T、m、a均不变,Repeated and Reversed Stress,Fluctuating Stress,Repeated and one direction stress,4,随机变应力,规律性不稳定变应力,不稳定变应力,5,2、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 Stress Ratio,最大应力 Maximum Stress,最小应力 Minimum Stress,平均应力

3、 Mean (average) Stress,应力幅 Alternating Stress,5个参数中，知道两者，其余即可求出。一般常用如下参数组合描述应力的特性。 m和a;max和min;max和m,6,b) 稳定循环变应力种类：, = 1 对称循环变应力Repeated and Reversed Stress,7, = 0 脉动循环变应力Repeated and one direction stress,8, =+1 静应力static stress,其中，最不利的是对称循环变应力,9,-1 +1不对称循环变应力Fluctuating Stress,10,注意：静应力只能由静载荷产生，而变

4、应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,名义应力Nominal stress由名义载荷产生的应力 计算应力Assumed stress 由计算载荷产生的应力,3）名义应力和计算应力,11,一、单向应力下的塑性零件（塑性变形）,强度条件： 或, 22 静应力时机械零件的强度计算,静应力时零件的主要失效形式：塑性变形或断裂fracture,s、s材料的屈服极限,S、S计算安全系数the factor of safety,s、s许用安全系数,12,二、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Maximum shear stress

5、theory）,设单向正应力和切应力分别为和,由第四强度理论： （最大变形能理论Distortion energy theory）,第三强度理论取,第四强度理论取,13,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fracture,或,14,按第一强度条件： （最大主应力理论） maximum normal stress theory 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103（104）按静应力强度计算

6、,2、复合应力下工作的零件,15,1、失效形式：疲劳fatigue （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beachmarks zone） 粗糙区（脆性断裂区sudden frature zone） 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 屈服极限或 max S或max B,2-3 机械零件的疲劳Fatigue强度计算,一、变应力作用下机械零件的失效failure特征,16,17,塑性材料拉伸断口形貌,脆性材料拉伸断口形貌,塑性材

7、料疲劳断口形貌,光滑的疲劳发展区 smooth beachmarks zone,粗糙的脆性断裂区 sudden frature zone,18,3、疲劳破坏的机理：损伤的累积 4、影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，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。,当m、一定时， a越小，N越少，疲劳强度越高。,19,二、材料的疲劳曲线和极限应力图,疲劳极限fatigue strength：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fatigue life（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，

8、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,20,当N103(104)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算,低周循环疲劳,高周循环疲劳,1）有限寿命区finite life,当 时随循环次数疲劳极限,21,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infinite life,持久极限 Endurance limit,对称循环：,脉动循环：,3）疲劳曲线方程,22,寿命系数,疲劳极限,寿命系数的意义：采用寿命系数，通过疲劳曲线方程，可以计算出任意循环次数N下的疲劳极限应力rN。,23,几点说明：, m指数与应力和材料的种类有关。 钢 m=9拉

9、、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, 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, No 硬度350HBS钢， No=107 350HBS钢， No=(10 - 25)x107 有色金属(无水平部分)，规定当N25x107时,取 近似为无限寿命区,24,2、材料的疲劳极限应力图the fatigue failure diagram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 ，

10、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,25,塑性材料的疲劳极限应力图呈抛物线分布，如图 AB，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 强度极限点 C 屈服极限点,26,A对称疲劳极限点,A（0,1）,27,B 强度极限点,B（B，0）,28,D（0/2, 0/2 ）脉动疲劳极限点,29,C (s,0)屈服极限点,塑性材料：,30,简化极限应力线图：简化极限应力图 作法：考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由C点作135。斜线与AD的延长线交于G，得到 线上各点的横坐标为极

11、限平均应力m, 各点的纵坐标为极限应力幅a,31,上各点： 如果 不会疲劳破坏 上各点： 如果 不会屈服破坏,零件的工作应力点（m，a）位于ADGC折线以内时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。,32,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，可根据材料的三个试验数据 和 而作出,33,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、

12、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图,34,1、应力集中的影响有效应力集中系数 stress-concentration factor,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,理论应力集中系数：,名义应力,实际最大应力,有效应力集中系数：,材料的敏感系数,图2-8,表2-2表2-7,35,2、零件尺寸的影响尺寸系数size factor,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 表2-8、2-9

13、，图2-9、2-10,3、表面状态的影响 surface finish factor,1）表面质量系数,指：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。图2-11,强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。表2-102-12,2）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,36,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,37,2、零件的极限应力图,由于 只对 有

14、影响，而对 无影响，在材料的极限应力图 ADGC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,GC是静强度极限，不受K的影响，所以，该段不必修正。,38,AG许用疲劳极限曲线，GC屈服极限曲线,连接AD并延长交CG于G点，则ADGC即为零件的简化极限应力图。,39,直线AG方程 :,设AG上任一点坐标M（me,ae）,已知两点A（0，1/K）、D （0/2，0/2K）坐标。,40,零件的材料特性,标准试件中的材料特性,41,直线CG方程：,42,四、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,先画出材料的极限应力图,查出并计算零件的综合影响系数,得到零件的极限应力图,找到工作应力点

15、,找到与之对应的极限应力点,求出最大极限应力,最后求安全系数,43,1、 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M1和N1点，直线上任一点的应力循环特性均相同, M1和N1点即为所求的极限应力点,44,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：,45,强度条件为：,46,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,47,2、 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M2（N2 ）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,48,强度条件：,49,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：,50,3、 轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态,过工作