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1、第二章第二章 机械零件的疲劳强度设计机械零件的疲劳强度设计 第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 一、载荷的分类一、载荷的分类 1 1）循环变载荷）循环变载荷 a) a) 稳定循环变载荷稳定循环变载荷 b) b) 不稳定循环变载荷不稳定循环变载荷2 2）随机变载荷）随机变载荷静载荷静载荷变载荷变载荷1. 1. 变化变化变化变化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷2. 2. 作用作用作用作用1随机变应力随机变应力静应力静应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力二、应力的分类二、应力的分类1. 应力种类应力种类变应力变应力随机变应力随机变应力循环变应力循环变应力 稳定循环变应力稳定循环变应力规
2、律性不稳定变应力规律性不稳定变应力对称循环对称循环脉动循环脉动循环非对称循环非对称循环22、稳定循环变应力的基本参数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类 1) 基本参数基本参数 应力循环特性应力循环特性最大应力最大应力最小应力最小应力平均应力平均应力应应 力力 幅幅2) 稳定循环变应力种类稳定循环变应力种类 -1 +1非对称非对称 =+1 静应力静应力 = 1 对称对称 = 0 脉动脉动3三、疲劳破坏三、疲劳破坏 1.1.疲劳破坏特征疲劳破坏特征： 1 1）断裂过程：）断裂过程：产生初始裂纹产生初始裂纹 （应力较大处）（应力较大处）裂裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹。纹反复扩展，直至产生疲劳裂
3、纹。 2 2）断裂面：）断裂面：光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆粗糙区（脆性断裂区）性断裂区） 3 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4 4）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限2.2.疲劳破坏的疲劳破坏的机理机理：损伤的累积：损伤的累积3.3.影响因素影响因素：材料性能，变应力的循环特性，应力循：材料性能，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。环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。4第二节第二节第二节第二节 疲劳曲线和极限应力图疲劳曲线和极限应力图疲劳曲线和极限应力图疲劳
4、曲线和极限应力图疲劳极限疲劳极限： 循环变应力下应力循环循环变应力下应力循环N N次后材料不发生疲劳破坏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时的最大应力称为材料的疲劳极限。疲劳寿命疲劳寿命： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数 N一、疲劳曲线一、疲劳曲线 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线次数之间关系的曲线。5 持久极限1 1）无限寿命区）无限寿命区循环基数循环基数 持久极限持久极限对称循环对称循环：脉动循环：脉动循环：62 2）有限寿命区）有限寿命区 当当N103(104
5、)高周循环疲劳高周循环疲劳随循环次数随循环次数疲劳极限疲劳极限3 3）疲劳曲线方程）疲劳曲线方程7疲劳极限疲劳极限几点说明：几点说明： 2 2）硬度）硬度350HBS350HBS钢，钢，No=10No=106 610107 7；350HBS350HBS钢，钢，No No =10x10=10x107 7 25x1025x107 7；有色金属；有色金属( (无水平部分无水平部分) No=25x10) No=25x107 7 。3 3）mm指数与应力与材料的种类有关。指数与应力与材料的种类有关。钢钢拉压、弯曲应力、扭剪应力拉压、弯曲应力、扭剪应力 m=9m=9；接触应力；接触应力m=6m=6。青铜青
6、铜弯曲应力弯曲应力 m=9 m=9 ；接触应力；接触应力m=8m=8。1 1）K KN N寿命系数，寿命系数，NNoNNo时，取时，取N=No N=No 。8二、疲劳寿命一定时，同一种材料在不同的应力二、疲劳寿命一定时，同一种材料在不同的应力二、疲劳寿命一定时，同一种材料在不同的应力二、疲劳寿命一定时，同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图循环特性下的疲劳极限图循环特性下的疲劳极限图循环特性下的疲劳极限图-1100/2/200/2/2ssbb00 G C G Cmmaa A A E E B B(rmrm ,rara)454500r r :-1+1:-1+1A A :对称循环对称循环对称循
7、环对称循环极限应力点极限应力点极限应力点极限应力点B B :脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环极限应力点极限应力点极限应力点极限应力点C C :静强度极静强度极静强度极静强度极限应力点限应力点限应力点限应力点9高塑钢高塑钢AD疲劳强度线；疲劳强度线；GD 屈服强度线。屈服强度线。不允许塑性变形不允许塑性变形-1100/2/200/2/2ssbb00 G C G Cmmaa A A E E B B(rmrm ,rara)454500 D D10高塑钢高塑钢AD线方程：线方程：低塑钢或铸铁低塑钢或铸铁AC线方程：线方程：11第三节第三节第三节第三节 影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因
8、素影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素一、一、应力集中应力集中的影响的影响零件受载时，在几何形状零件受载时，在几何形状突变突变处（圆角、凹槽、孔、处（圆角、凹槽、孔、螺纹、过盈配合等）要产生螺纹、过盈配合等）要产生应力集中应力集中。对应力集中的对应力集中的敏感程度敏感程度与零件的与零件的材料材料有关，一般材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。 疲劳缺口系数疲劳缺口系数 12二、零件二、零件尺寸尺寸的影响的影响尺寸系数尺寸系数 零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗；零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗；冷、热加工中出现缺陷的概率大；冷、
9、热加工中出现缺陷的概率大；机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，对零件疲机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，对零件疲劳强度的不良影响愈显著。劳强度的不良影响愈显著。 13三、三、表面状态表面状态的影响的影响 表面状态系数表面状态系数表面质量表面质量指表面粗糙度、表面强化及工作环境。指表面粗糙度、表面强化及工作环境。强化处理强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。喷丸、滚压等冷作工艺。14四、四、综合影响系数综合影响系数 综综合合影影响响系系数数表表示示了了材材料料极极限限应应力力幅幅与与零零件件极极限应力幅的比值。限应力幅的比值。零件的零件的疲劳
10、极限疲劳极限15第四节第四节第四节第四节 受稳定循环应力时零件的疲劳强度受稳定循环应力时零件的疲劳强度受稳定循环应力时零件的疲劳强度受稳定循环应力时零件的疲劳强度一、受单向一、受单向应力应力时零件的安全系数时零件的安全系数AABBDDDD11GGBB11AA11PP11aammss00/2/20000/2K/2KDD-1-1/K/KDD-1-1零件的零件的只受单向拉压、只受单向拉压、弯曲、扭转等弯曲、扭转等零件极限应力图零件极限应力图A1B1D1G疲劳强度疲劳强度线线A1D1屈服强度屈服强度线线GD1直线直线A1D1的方程：的方程：16DD11GGAA11NN11aammssmm00aa-1-
11、1/K/KDD规律下疲劳强度分析图规律下疲劳强度分析图NNKKMMMM11HH确定零件危险截面确定零件危险截面上的工作应力点上的工作应力点N。在极限应力线上确在极限应力线上确定极限应力点定极限应力点N1。应力增长规律应力增长规律：（1）难以确定零件工作难以确定零件工作应力增长规律时。应力增长规律时。极限应力点为极限应力点为N1。OA1D1为疲劳强度区为疲劳强度区OD1G 为屈服强度区为屈服强度区大多数转轴中的应力状态大多数转轴中的应力状态 17DD11GGAA11NN11aammssmm00aa-1-1/K/KDDNNKKMMMM11HHa) 工作应力点位于工作应力点位于OA1D1内内按疲劳强
12、度计算按疲劳强度计算零件的疲劳极限零件的疲劳极限为为强度条件为强度条件为 18b)工作应力点位于工作应力点位于OD1G 内内极限应力为屈服极限极限应力为屈服极限按按静强度静强度计算计算DD11GGAA11NN11aammssmm00aa-1-1/K/KDDNNKKMMMM11HH不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算两种安全系数两种安全系数。19（2）振动中的受载弹簧的应力状态振动中的受载弹簧的应力状态DD11GGAA11NN11aammssmm00-1-1/K/KDDNNMM11mmFFEEPPMMOA1D1E为疲劳强度区为疲劳强度区ED
13、1G 为屈服强度区为屈服强度区a) 工作应力点位于工作应力点位于OA1D1E内内强度条件：强度条件： 按两式同时验算按两式同时验算20（3）紧螺栓联接中的螺栓应力状态紧螺栓联接中的螺栓应力状态 DD11GGAA11NN11aammssminmin00-1-1/K/KDDNNMM11minminFFEEPPMM按两式同时验算按两式同时验算21注意：注意：1 1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用=C=C的情况计算。的情况计算。2 2）上述计算均为按）上述计算均为按无限寿命无限寿命进行零件设计，若按进行零件设计，若按有限有限寿寿命要求设计零件时，即应
14、力循环次数命要求设计零件时，即应力循环次数10103 3(10(104 4) )NNoNNo时时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限限 ，即应以即应以-1N-1N 代代-1-1 ，以，以oNoN代代o o 3 3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的现的两种两种情况情况. .4 4）对）对切应力切应力上述公式同样适用，只需将上述公式同样适用，只需将改为改为即可。即可。22二、受复合应力时的安全系数二、受复合应力时的安全系数 1、对称循环稳定变应力下（弯扭复合）、对称循环稳定变应力下（弯扭复合）塑塑性性材料的安全系数计算材料的安全系数计算2、低塑性和脆性低塑性和脆性材料的安全系数计算材料的安全系数计算三、许用安全系数三、许用安全系数 1、疲劳强度许用安全系数、疲劳强度许用安全系数2、静强度许用安全系数、静强度许用安全系数 23
