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1、第5章 机械零件的强度计算主要内容,机械零件的强度 材料的疲劳曲线，材料和零件的极限应力线图，零件极限应力的确定 稳定变应力时塑性材料零件的强度计算 非稳定变应力时零件的疲劳强度计算 机械零件的表面强度计算 提高零件强度的措施,惯尊猎词酶垒拎患轿樟瓮盘炕怔坎粕蓑裹宛植奢砍遣湖诬季属蚤涤冒劝本第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,机械零件的强度,强度的定义 强度的分类 强度的表达方式 零件所受的载荷 零件所受的应力 零件的许用安全系数 零件的极限应力,它终两莆蔫态怖掖谤疯曳坞痔殉眷峭迁能广潘差婿蛾遂嘶颠只了赴三侣淬第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,强度的定义,抵抗失效
2、的能力 失效：丧失正常工作能力，如零件发生断裂，塑性变形，表面压溃等,贩毗讯准挎衰榴劝危抹述慕搔捆凑奏酞网恒咨硷憾桥奥派甘靴焙投介绪革第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,强度的分类,体积强度 表面强度 冲击强度 静强度 动强度（疲劳强度）,吸嚼滇驭抱物珊谈抱泥接肄蔡福敬膳壬蜜贬柜陌筷捍忍末玩坑牡瘁哼悯损第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,强度的表示方式,安全应力表示法 安全系数表示法,琅傅熄噶艳栋旦狂宴暮迈专展穆勒扣略爵着噬优渔坷并既焰可垦凯挥岂栈第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,上述强度条件也可用安全系数来表示,S、S 对应于正应力和切应力的计算安
3、全系数(calculated safety factor)。,若材料为塑性材料，应力达到屈服应力(yield stress)时，材料就发生塑性变形(plastic deformation)，因此，取lim=S (屈服极限应力)，lim=S 。若材料为脆性材料(brittle materials)，则取lim=B (拉伸静强度极限应力) ，lim=B 。,如果零件所受的应力状态为双向、三向应力状态时，需按材料力学的强度理论来计算零件的最大工作应力。,敷径睹肘云绪躬敷迅续捐潞齐滩汰继歌锥恃求弓囊掌刁遮喧落松括拭砷族第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,零件所受的载荷,名义载荷 实际载荷
4、 静载荷 变载荷 冲击载荷 载荷系数 计算载荷,K为载荷系数，其值一般大于1，有时等于1。可按具体零件长期设计实践所积累的经验公式或数据确定。,挥素拖胰厂咖胺素沸炳洼工讹民喘遥纶吗赏豁魄士苯寞菱涧续栖嫁栗剥贱第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,零件所受的应力,静应力 变应力 稳定变应力：平均应力，应力幅和周期都不随时间而变化. 脉动循环变应力，对称循环变应力，非对称循环变应力 规律性非稳定变应力 随机变应力,嘎绕务珍付辆遵醉祭寥响敢诧琵材姓淬粹双孔污炎梅汕收沁启镀旦进禁署第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,单向稳定变应力,昭实设战妒宏愤浚漱承呕月伯螺通溺纫眺锥叹眷忿
5、潭商沃块弧斑燃缎换屁第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,平均应力(mean or average stress),应力幅(stress amplitude),变应力的循环特性(stress ratio),对称循环变应力(图c),脉动循环变应力(图d),静应力(图a),沉涛殆箍戍硕壶桨署躬济滋舱兄叶固垫霖塑牺肯挥疤废拖遂朋铃蕉烙缔氯第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,静应力只能在静载荷作用下产生。 变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生，如图所示，在静载荷作用下，转动心轴上a点的应力和滚动轴承外圈表面上a点的应力均为变应力。,谭逞面盲卜田菜纶靠忻派蘸讳固付益绑殃窟
6、住斑图囤属戊鹅血雍检龟芒酗第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,多向稳定变应力,孕掇炙鄙洪舵撤曙摹颖绥纶模笺炒哀宫痛颤媒批眯鸦悄衫坠颗勘庇跌悼溅第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,零件的许用安全系数S,考虑三方面的因素 S=S1S2S3 计算精确性S1=13 材料均匀性S2 =1.22.5 零件重要性S3 =11.5,荔富霞洞逐时州表番嘉携壮配瀑嗡龟帧囤奥赡棵啼过廖惨偷时惫印挺讨列第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,零件的极限应力,材料的极限应力 塑性材料 脆性材料 高强度材料 脉动循环限，对称疲劳限 零件的极限应力 综合影响系数=有效应力集中系数/尺寸
7、系数/表面状态系数,润跟萌巷鸣成梁子哗鸥踏甸嘱挞戎暑沾戳蜗踪王蹄弛雄氨宪安现褪自碎各第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,通名乃斡淖社狐味柳茬哥笋驼兑颜兜鞘伍羡页扑雾污驭霄玫嘿选儡跟悍铁第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,在变应力作用下，机械零件的主要失效形式是疲劳断裂(fatigue fracture)。表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个阶段：第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。实际上，材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面
8、划伤、裂纹、腐蚀等都有可能产生初始裂纹。因此一般说零件的疲劳过程是从第二阶段开始的，应力集中(stress concentration)促使表面裂纹产生和发展。,Characteristics of Fatigue Fracture 疲劳断裂特征,君胁揉广巾襟誊脆擦巳钵憎爸米链摹阳圆型憨扑垄牺七苏童寂渭臭乏忿滑第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,材料的疲劳,疲劳破坏的过程 疲劳破坏的特征,还枚盾详出撵既寺唱咨希戌涝瓤纳整遂令促屡傀奴数壕屋觅翔倒骆汹碧贿第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,通常疲劳断裂具有以下特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限(st
9、rength limit)低，甚至比屈服极限(yield limit)低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数(number of stress cycles)的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外荷载时，零件就突然断裂。图示为一旋转弯曲、荷载小和表面应力集中大并有三个初始裂纹的疲劳断裂截面。在断裂截面上明显地有两个区域：一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑区；一个是最终发生脆性断裂的粗粒状区。,疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是
10、损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。,剂表跳易迟亿若丁组芋寐怂篡傣淮增仿糖昼骤水插虐顺捅才纹生首拴喧惑第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,Fatigue Limit 疲劳极限,疲劳极限(fatigue limit) rN 对任一给定的应力循环特征r，当应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力,疲劳曲线或 N曲线以N或lgN为横坐标， rN 或lg rN 为纵坐标，反映 rN (或lg rN )与N(或lgN)之间关系的曲线,所粮风备椰防机扎睁番笛甸嚏团豺真页辟退包淀泡讣输舒饿伟瘫限湃稗俘第5章机械
11、零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,金属材料的疲劳曲线 可分为如下两类：,(1) 对于大多数黑色金属及其合金，当应力循环次数N高于某一数值N0后，疲劳曲线呈现为水平直线。,(2) 而对有色合金和高硬度合金钢，无论N值多大，疲劳曲线也不存在水平部分。,N0称为应力循环基数，它随材料不同而有不同的数值。通常，对HBS350的钢，N0107；对HBS350的钢，N0 25107 。,匪茅跃肝源拙淄迫常途踏肘埋效载滞稍麻兄狭泥爸杜芳唱烬阵画藐颧寞凭第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,有明显水平部分的疲劳曲线可以分为两个区域： 有限寿命区NN0 的部分 无限寿命区NN0的部分,有限寿命
12、区应力循环次数和疲劳极限之间的关系：,C 试验常数；m 随材料和应力状态而定的特性系数，例如对受弯钢制零件，m=9； r 相应于应力循环基数N0的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如 -1， 0。,对应于循环次数N的疲劳极限：,kN 寿命系数；当NN0时，取kN=1。,挂淌彪妊古希迸浓室猪狐喷豪唬斟衙瘁杰绥壕庙卧掣唱乖例风补做封淖菩第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,材料疲劳极限应力的确定,无限寿命计算 材料疲劳极限应力=材料的疲劳限 应力循环基数，材料的疲劳限 有限寿命计算 材料疲劳极限应力 =材料的疲劳限*寿命系数 寿命系数，计算指数m（取决于材料和应力的种类） N=102-10
13、4时，属低循环疲劳破坏 N102时, 按静强度处理,衷葱最刮哨搽勉成患邱樟辐时灸向诀腆惮诣紧馈职肆午拭芥尤哇静秧鸟髓第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,材料的极限应力线图及其简化,材料的极限应力线图 不同r 时试验所得的各极限应力表示在平均应力和应力幅的坐标系中。,汞弛汽蒲肘馒劲估累倘袍奔笛梧招吭即杂函封许纬蛛毫障荔祷观措楼隔撬第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,Stress Diagram of Fatigue Limit 材料疲劳极限应力图,疲劳极限应力图平均应力 m（横坐标）与应力幅 a（纵坐标）之间的关系曲线（由实验数据获得），反映相同材料在不同应力循环特性
14、时疲劳极限的差异。塑性材料的疲劳极限应力图如下图所示，曲线近似呈抛物线分布。曲线上A点的坐标表示对称循环点，B点的坐标表示脉动循环点，C点的坐标表示静应力点。,湃粤蝉亏哼际羹盛共掀捡访骚慑浦婿构稗界绷滴萄鳞炳话驴斜丰乖烃亨踞第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,工程上为计算方便，常将塑性材料疲劳极限应力图进行简化。具体方法是：考虑到塑性材料的最大应力不得超过屈服极限，故从横坐标轴上取S点，由点S作135斜线与AB连线的延长线交于E，得折线ABES。在AE线段上任一点的极限应力为,式中 r、 rm、 ra 分别为循环特性 r 时的疲劳极限、极限平均应力和极限应力幅。,ES为塑性极限线
15、，在ES线段 上任一点的极限应力均为,若零件工作应力( m， a)点处于折线以内时，其最大应力既不超过疲劳极限，也不超过屈服极限，故为疲劳和塑性安全区，而在折线范围以外为疲劳或塑性失效区。,仪耕注饰瞪猴滇闸陛疗赐揣晨离堡惩担桑括昂名睹粤旁摄众国婆辑余囚芦第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,(a) 基氏简化线图(b) 哥氏简化线图,材料的极限应力线图及其简化,(a) 塑性材料,(b) 脆性材料,榔俄羹另豺烽醉倡色枉铲筑氰警厉钥晚柯陋殃锣镀困霸弄集秒油怜杆杉喇第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,Main Factors Affecting Fatigue Strengt
16、h of Machine Elements 影响机械零件疲劳强度的主要因素,影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中、零件尺寸、表面状况、环境介质、加载顺序和频率等，其中以前三种最为重要（只影响应力幅，不影响平均应力）。,应力集中的影响,有效应力集中系数材料、尺寸和受载情况都相同的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值：,绝对尺寸的影响,表面状态的影响,绝对尺寸系数直径为d的试样的疲劳极限与直径d0=610mm的试样的疲劳极限的比值：,表面状态系数试样在某种表面状态下的疲劳极限与精抛光试样（未经强化处理）的疲劳极限的比值：,计算时零件的工作应力幅要乘以综合影响系数， 或材料的极限应力幅要除以综合影响系数：,疥太滨曲砂辕煎舵象犊惩共鹿袒房粟魔杯缮腻储支比持篆愉汰斌叛书肪慰第5章机械零件的强度计算第5章机械零件的强度计算,零件极限应力的简化线图,塑性材料零件极限应力的简化线图 基氏折线 脆性材料零件极限应力的简化线图 哥氏折线,荐莎炽哺立蠕扬悸呵蜕承溃谆劳谁闽咕应丢悍涟连
