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1、第3章 机械零件的疲劳设计,机械零件强度计算问题一般可以归纳为两种情况： 一种为静应力作用下的强度计算，另一种为变应力作用下的强 度计算问题。 两种计算的准则：许用应力计算准则，许用安全系数计算准则 变应力下，零件经受的是一种疲劳过程，产生的破坏形式为疲劳破坏； 要求在机械设计过程中引入疲劳设计，建立疲劳设计的方法和计算准则，从而保证零件的疲劳强度。,3.1 疲劳破坏的过程及断面特征,疲劳断面的特征为： (1)、断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙的脆性断裂区所构成；(2)、有以疲劳源为中心，同心弧状的前沿线；(3)、自疲劳源向外放射的垄沟条纹。,对于表面无缺陷的金属材料，疲劳断裂的过程一般由两个阶
2、段构成：第一个阶段是零件表面上应力较大位置的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源的个数可以是一个或多个，与表面的缺陷数目有关；第二个阶段为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。 对于实际的零件疲劳过程来说，由于材料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是从第二阶段开始的。,3.2 材料的疲劳特性曲线,抗疲劳性能是通过具体的大量实验确定的，在材料的标准试样上加上一定的循环特性的稳定循环变应力，通常是对称循环变应力，或是脉动循环变应力，试验过程记录下在不同的最大应力作用下引起试样疲劳破坏的应力循环次
3、数N，得到材料的疲劳特性曲线。 材料的（ ）疲劳特性曲线 材料的a -m疲劳特性曲线,疲劳极限-在循环特性一定的变应力作用下,经过N次循环作用而不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限 (rN或rN) 疲劳曲线-循环次数N与疲劳极限rN或rN之间的关系曲线,材料的疲劳曲线,疲劳曲线上每一点所对应的应力 或 称为疲劳极限，表示循环次数N下材料不发生疲劳破坏的应力最大值。钢在受到弯曲、拉压和扭转剪切作用时的疲劳极限值不同，但疲劳曲线具有大致相似的形状。,m为随材料和应力而定的指数，一般对于受拉应力、弯应力和切应力的钢取m=9，受接触应力的钢取m=6；N0为与材料性质有关的循环基数，钢的硬度愈高，其循环
4、基数就愈大。一般来说，硬度350HB的钢，N0106107，硬度350HB的钢N01010725107，有色金属N025107。通常的金属材料都是在107循环次数下试验取得的，所以在进行计算时常取N0107。C和C为试验常数。,N0左侧的水平直线段的含义为：当NN0或者说当作用在材料上的疲劳应力小到 时，疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。,循环特性r 对疲劳曲线的影响：循环特性的变化范围为+1r-1，不同循环特性的应力作用下的材料的疲劳曲线具有相似性，在同样的循环次数下，r的数值愈大， 也愈大。这也说明，在所有的循环应力中，对称循环应力（r= -1）的疲劳破坏作用最强。,循环特性r对疲劳曲线
5、的影响,寿命系数：,材料的a m曲线,塑性材料的 曲线 低塑性和脆性材料的 曲线,曲线的三种简化方法,常用疲劳极限数值 疲劳强度还会受到应力集中、加工方法、热处理、尺寸大小、表面状态、环境介质、加载顺序、工作频率、加载速度等一系列因素的影响； 应力集中、尺寸大小、表面状态三项因素的影响最为突出。 三个系数：应力集中系数 、尺寸系数 、表面状态系数 应力集中、零件尺寸和表面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑 零件的综合影响系数（计算时要将零件的工作应力幅乘以综合影响系数 ）,3.4 机械零件的疲劳极限应力图,零件的疲劳极限应力图,在实际的工作中，机械零件的
6、应力增长方式有很多种，同样的工作应力点，在不同的应力增长方式下，最终发生的失效方式可能完全不一样。,常见的应力增长方式有：,常数,常数,常数,三种常见的应力增长方式,3.5 机械零件的疲劳安全系数计算方法,判断零件的安全程度，采用的方法仍然是通过计算安全系数，看是否满足 的条件。,r=常数的零件的极限应力图,图解法求安全系数,塑性强度安全系数（静强度安全系数）,解析法求安全系数,引入,对于位于塑性安全区，按照 常数进行加载的机械零件，其安全系数的计算公式为：,为了安全起见，采用解析法计算疲劳安全问题时，疲劳安全系数和塑性安全系数都要进行计算。 对于低塑性和脆性材料，其疲劳极限应力图为直线，上述
7、安全系数的解析计算公式仍然适用，但由于脆性材料没有屈服现象，也就不用计算塑性安全系数。,3.6 线性疲劳损伤积累假说及其应用,稳定变应力和非稳定变应力,变应力的变化方式,线性疲劳损伤积累假说： 在零件受变应力作用发生裂纹到破坏的过程中，零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件受到微量的损伤，当这种损伤累积到一定程度达到疲劳极限后就发生疲劳断裂。这一理论的根据是，材料在失效前所吸收的总功都是相等的，而与作用的应力的变化方式（应力谱）无关。 寿命总损伤率： 零件发生疲劳破坏时 大量的试验表明，总寿命损伤率约在0.72.2之间，为计算方便起见，通常取1。,非稳定变应力下安全系数的计
8、算方法： 基本思想：首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。,规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤： -取等效应力 -求等效循环次数 -求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限 -按等效应力计算疲劳强度和安全系数 -按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安 全系数,复习思考题 1、机械零件疲劳强度计算方法有哪两种？ 2、零件的疲劳断裂过程分为哪几个过程？断裂面有何特点？何谓疲劳极限？ 3、什么叫疲劳曲线？分为哪几个区？KN, N0,m,r的几何意义及如何确定？r对rN如何影响？ 4、什么是极限应力图？如何绘制简化？ 5、影响零件疲劳强度的主要因素有哪
9、些？如何加以修正？铸铁件为何不考虑应力集中？高强度钢零件为何表面要求加工质量较高？综合影响系数如何定义？它只影响什么？ 6、何谓稳定变应力、非稳定变应力？怎样对随机非稳定变应力进行处理？,7、如何在极限应力图中绘制许用极限应力图？工作应力增长的方式有哪几种？ 8、许用极限应力图中的塑性安全区及疲劳安全区如何划分？每个区中的安全系数如何计算？复合应力作用下安全系数如何计算？ 9、什么是疲劳损伤积累假说？规律性非稳定变应力作用下零件的安全系数如何计算？,SEMINAR TOPIC,为什么说零件的疲劳过程、疲劳强度、疲劳计算是机械设计课程考虑的一个重要问题？,本章作业,2-1，2-4，2-9，2-14，2-21，2-23，2-26,
