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1、第3章 机械零件的强度,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,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、应力的种类,脉动循环变应力,r =0,静应力: =常数,变应力: 随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r =-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r =+1,静应力是变应力的特例,3-1 材料的疲劳特性,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,
2、 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;, 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;, 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。,不管脆性材料或塑性材料，,零件表层产生微小裂纹；,疲劳断裂过程：,随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；,当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。,疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。,疲劳断裂具有以下特征：, 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。,表面光滑,表面粗糙,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、 sN疲劳曲线,用参数max表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲
3、劳曲线。称为：,sN疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限B 。,在AB段，应力循环次数103 max变化很小，可以近似看作为静应力强度。,BC段，N=103104，随着N max ,疲劳现象明显。,因N较小，特称为：,低周疲劳。,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r。,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：,实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。,可用下式描述：,于是有：
4、,104,103,中南大学专用 作者： 潘存云教授,CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：,式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。,试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力（maxr）， 则无论循环多少次，材料都不会破坏。,CD区间-有限疲劳寿命阶段,D点之后-无限疲劳寿命阶段,潘存云教授研制,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数N下，极限应力幅之间的关系曲线来表示，特称为等寿命曲线。,简化曲线之一,简化曲线之二,三、等寿
5、命疲劳曲线,实际应用时常有两种简化方法。,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,简化等寿命曲线（极限应力线图）：,已知A(0，-1) D (0 /2，0 /2)两点坐标，求得A直线的方程为：,A直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。,对称循环： m=0,脉动循环： m=a =0 /2,说明C直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。,C直线上任意点N 的坐标为（m ，a ）,由中两条直角边相等可求得 C直线的方程为：,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,O,而正好落在AGC折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0
6、.20.3。,公式 中的参数y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,当应力点落在OAGC以外时，一定会发生疲劳破坏。,当循环应力参数（ m，a ）落在OAGC以内时，表示不会发生疲劳破坏。,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,3-2 机械零件的疲劳强度计算,一、零件的极限应力线图,由于材料试件是一种特殊的结构，而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等与材料试件有区别，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,定义弯曲疲劳极限的综合影响系数 ：,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,零件的对称循环弯曲疲劳极限为：-1e,设材料的对称循环
7、弯曲疲劳极限为： -1,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,直线A的方程为：,直线C的方程为：,ae -零件所受极限应力幅；,me -零件所受极限平均应力；,y e -零件受弯曲的材料特性；,弯曲疲劳极限的综合影响系数 反映了：应力集中、尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。其计算公式如下：,其中：k -有效应力集中系数；, -表面质量系数；, -尺寸系数；,q -强化系数。,中南大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,对于切应力同样有如下方程：,其中的系数：k 、 、 、 与k 、 、 、 q 相对应；,教材附表3-13-11详细列出了零件的典型结构、尺寸、表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合影响 。下面列举了部分图表。,中南大学专用 作者： 潘存云教授,
