第2章机械零件的疲劳强度ppt课件

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1、第二章第二章 机械零件机械零件的强度的强度 Strength一一. 教学目的教学目的2 2、了解并掌握疲、了解并掌握疲劳破坏的特征、机理及影响要素；破坏的特征、机理及影响要素；二二. 重点和难点重点和难点3 3、掌握、掌握资料的疲料的疲劳曲曲线和极限和极限应力力图；4 4、掌握影响机械零件疲、掌握影响机械零件疲劳强度的主要要素；度的主要要素；5 5、掌握、掌握单向向稳定定变应力力时平安系数的平安系数的计算。算。本章重点：本章重点：1 1、资料的疲料的疲劳曲曲线和极限和极限应力力图；2 2、单向向稳定定变应力力时平安系数的平安系数的计算。算。本章本章难点：点：非非稳定定变应力力时平安系数的平安系

2、数的计算。算。1 1、了解机械零件、了解机械零件强度根本概念；度根本概念；第一节 机械零件强度的根本概念一、一、强度准那度准那么么1经过判判别危危险截面的最大截面的最大许用用应力力，能否小能否小于或等于于或等于许用用应力力，。 2经过判判别危危险截面上截面上实践的平安系数践的平安系数S，S能能否大于或等于否大于或等于许用平安系数用平安系数S，S 强度可分度可分为静静应力力强度和度和变应力力强度。度。 1、静应力强度 在静在静应力力N103下任下任务的零件，其失效方式将是断裂的零件，其失效方式将是断裂或塑性或塑性变形。因此需求形。因此需求计算静算静强度。度。 2、变应力强度 在在变应力下任力下任

3、务的零件，其失效方式将是疲的零件，其失效方式将是疲劳破坏。破坏。因此需求因此需求计算其疲算其疲劳强度。度。 二、强度的分类 三、机械零件的外表强度三、机械零件的外表强度一些依托外表接触任一些依托外表接触任务的零件，它的零件，它们的任的任务才干取决于才干取决于接触外表的接触外表的强度。度。1 1、外表、外表挤压强度度是指零件外表抵抗外表是指零件外表抵抗外表挤压破坏的才干。破坏的才干。2、外表接触、外表接触强度度是指高副接触的外表抵抗接是指高副接触的外表抵抗接触破坏的才干，如触破坏的才干，如齿轮。3、外表磨、外表磨损强度度在滑在滑动摩擦下任摩擦下任务的零件常因的零件常因过度磨度磨损而失效，如滑而失

4、效，如滑动轴承。承。 光滑区疲光滑区疲劳开展区开展区 粗糙区脆性断裂区粗糙区脆性断裂区1 1、破坏、破坏过程程应力力较大大处产生初始裂生初始裂纹，构成一个或多个疲，构成一个或多个疲劳源。源。裂裂纹尖端在切尖端在切应力作用下，反复力作用下，反复扩展，直至展，直至产生疲生疲劳裂裂纹。2 2、破坏面特征、破坏面特征3、断裂特征、断裂特征脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹2 2破坏时的破坏时的 ，远低于，远低于 ，甚至低于，甚至低于 。第二节 疲劳破坏的特征1 1断口无明断口无明显塑性塑性变形的脆性忽然断裂形的脆性忽然断裂更具忽然性，更危更具忽然性，更危险。4、结论疲劳断裂是疲劳损伤的积累，初期零件表层构成

5、微裂纹，疲劳断裂是疲劳损伤的积累，初期零件表层构成微裂纹，随随N N的增大裂纹扩展，扩展到断截面缺乏接受外载，发生的增大裂纹扩展，扩展到断截面缺乏接受外载，发生断裂。断裂。故变应力下，零件的极限应力既不能取资料的强度极限也故变应力下，零件的极限应力既不能取资料的强度极限也不能取屈服极限，应为疲劳极限。不能取屈服极限，应为疲劳极限。5、影响疲、影响疲劳断裂的主要要素断裂的主要要素应力力、应力循力循环次数次数N和和应力循力循环特性特性r第三节 资料的疲劳曲线和极限应力图一、一、-N-N疲疲劳曲曲线疲疲劳曲曲线是是应力循力循环特性特性r r一定一定时，资料的疲料的疲劳极限与极限与应力循力循环次数次数

6、N N之之间的关系曲的关系曲线。疲劳极限疲劳极限 ：在一定循环特性在一定循环特性r r下，资下，资料经过循环料经过循环N N次后不发生次后不发生疲劳破坏时的最大应力疲劳破坏时的最大应力称为资料的疲劳极限。称为资料的疲劳极限。疲疲劳寿命寿命N N：资料疲料疲劳失效前所失效前所阅历的的应力循力循环次数。次数。sN 疲劳曲线 当当N103(104) N350HB的钢，的钢，疲劳曲线方程疲劳曲线方程资料常数料常数mm随随资料和料和应力形状而定。力形状而定。钢 m=9 m=9拉拉应力、弯力、弯应力、切力、切应力；力； m=6 m=6接触接触应力力青青铜 m=9 m=9弯曲弯曲应力力 ；m=8m=8接触接

7、触应力力寿命系数寿命系数循环特性循环特性r不同时的疲劳曲线外形类似，但略有不同。普通，不同时的疲劳曲线外形类似，但略有不同。普通，r越大，资料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。越大，资料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。 对称循对称循环应力循环特性环应力循环特性=-1时，对零件最不利。时，对零件最不利。二、资料的疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线图二、资料的疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线图B脉脉动疲疲劳极限点极限点无限寿命极限应力线A对称疲称疲劳极限点极限点C静静应力力强度极限点度极限点 极限应力线上的每个点，称为极限应力点，表示了某个应力比下的极限应力 。 疲疲劳寿命寿命为N0N0时的等寿命疲的等寿

8、命疲劳曲曲线图为便于便于计算，常将塑性算，常将塑性资料的极限料的极限应力力图简化化为折折线外形。外形。疲劳强度线屈服强度线 AD段的方程为： 式中：平均应力折合为应力幅的等效系数例：知例：知资料的力学性能料的力学性能为S=260MPa， -1=170MPa， =0.2，绘制此制此资料的极限料的极限应力力图。解：解：那么那么第四节影响机械零件疲劳强度的主要要素一、一、应力集中的影响力集中的影响有效有效应力集中系数力集中系数参参见P42附表附表3-4附表附表3-6为思索零件几何外形的思索零件几何外形的实际应力集中系数，参力集中系数，参见P38附表附表3-13-3. 资料料对应力集中的敏感系数，参力

9、集中的敏感系数，参见P41P41附附图3-1.3-1.二、零件尺寸的影响二、零件尺寸的影响尺寸系数尺寸系数 由于零件尺寸愈大由于零件尺寸愈大时，资料的晶粒料的晶粒较粗，出粗，出现缺陷的概率缺陷的概率大，而机械加工后外表冷作硬化大，而机械加工后外表冷作硬化层相相对较薄，所以薄，所以对零件疲零件疲劳强度的不良影响愈度的不良影响愈显著。参著。参见P42P42附附图3-23-2、附、附图3-33-3及附表及附表3-73-7。 三、外表质量的影响三、外表质量的影响 外表外表质量系数量系数外表越粗糙，零件的疲外表越粗糙，零件的疲劳强度就越低。参度就越低。参见P44P44附附图3-4.3-4.四、外表强化的

10、影响四、外表强化的影响 外表外表强化系数化系数参参见P44附表附表3-9附表附表3-11.实验证明应力集中，零件尺寸和外表形状实验证明应力集中，零件尺寸和外表形状 只对应力只对应力幅幅 有影响，而对平均应力有影响，而对平均应力 无影响即对静应力无无影响即对静应力无影响。计算时，零件的任务应力幅应乘以综合影响系数，或影响。计算时，零件的任务应力幅应乘以综合影响系数，或用资料的极限应力幅除以综合影响系数。用资料的极限应力幅除以综合影响系数。四、综合影响系数四、综合影响系数或或第四节 机械零件的疲劳强度计算一、许用疲劳极限应力图一、许用疲劳极限应力图思索了综合影响系数思索了综合影响系数 和寿命系数和

11、寿命系数 后的疲劳极后的疲劳极限应力图。限应力图。屈服强度线疲劳强度线二、求零件疲劳强度的步骤二、求零件疲劳强度的步骤2 2、计算出的平均应力、计算出的平均应力 和应力幅和应力幅 。3 3、在极限应力图中标出任务应力点、在极限应力图中标出任务应力点M M ， 。1 1、先求出零件危险截面上的最大应力、先求出零件危险截面上的最大应力 和和 。4 4、根据零件任、根据零件任务应力的增力的增长规律，在零件的律，在零件的许用极限用极限应力力线上确定出相上确定出相应的极限的极限应力点。力点。5 5、计算零件的平安系数。算零件的平安系数。三、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算三、单向稳定变应力时机械零

12、件的疲劳强度计算 稳定定变应力力平平均均应力力、应力力幅幅和和周周期期都都不不随随时间变化化的的变应力力非非稳定定变应力力假假设平平均均应力力、应力力幅幅和和周周期期中中只只需需有有一一个随个随时间变化的化的变应力力随机变应力随机变应力非稳定变应力非稳定变应力规律性非稳定变应力规律性非稳定变应力多数多数转轴中的弯曲中的弯曲应力形状力形状 smOsaGsmNN1ABMsaMD1、a)当任当任务应力点位于力点位于OAD内内零件的疲零件的疲劳极限：极限：平安系数平安系数为： smOsaGsmNN1ABMsaMD等效等效应力幅力幅 b)任任务应力点位于力点位于ODG内内按静按静强度度计算算smOsaG

13、smNN1ABMsaMD2 2、a) 当任当任务应力点位力点位 于于OADH区域区域强度度计算：算： b b任任务应力点位于力点位于GHDGHD区域区域时，极限，极限应力力为屈服极限屈服极限 强度条件度条件为： NOHsmGMMABDNsa车辆减震减震弹簧的簧的应力形状力形状3 3、 受受轴向向变载荷的荷的紧螺栓螺栓联接中的螺栓接中的螺栓应力形状力形状 a a任任务应力位于力位于OAJOAJ区域内区域内为负值，工程中稀有，故不作思索。，工程中稀有，故不作思索。 sminMsaOsminN45GsmMAJDNMN45LIb)任任务应力点位于力点位于OJDI区域内区域内强度条件度条件: :smin

14、MsaOsminN45GsmMAJDNMN45LIc)c)任任务应力点位于力点位于IGDIGD区域区域sminMsaOsminN45GsmMAJDNMN45LI留意：留意：1 1假假设零件所受零件所受应力力变化化规律不能一定，普通采用律不能一定，普通采用r=Cr=C的情的情况况计算。算。2上述上述计算均算均为按无限寿命按无限寿命进展零件展零件设计，假，假设要求零件要求零件在有限寿命范在有限寿命范围内运用内运用时，即，即应力循力循环次数次数103(104)NN0时，这时上述公式中的极限上述公式中的极限应力力应为有限寿命的疲有限寿命的疲劳极限，极限，即即应以以-1N 代代-1 ，以，以0N代代03

15、 3当无法判当无法判别任任务应力点所在区域力点所在区域时，应同同时思索能思索能够出出现的两种情况的两种情况4 4对切切应力上述公式同力上述公式同样适用，只需将适用，只需将改改为即可。即可。1 1、塑性、塑性资料料2 2、 脆性脆性资料与低塑性料与低塑性资料料四、复合应力形状时机械零件的疲劳强度计算四、复合应力形状时机械零件的疲劳强度计算 2-5受变幅循环应力时1、Miner 法那么疲法那么疲劳损伤线性累性累积假假说由最大应力分别为由最大应力分别为 、 、 的三个恒的三个恒幅循环应力构成的规幅循环应力构成的规律性变幅循环应力。律性变幅循环应力。累积循环次数疲劳寿命寿命损伤率寿命损伤率 显然，在显

16、然，在 的单独的单独作用下，当作用下，当 ， 寿命损伤率寿命损伤率1 时，就会时，就会发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。五、规律性非稳定变应力时零件的疲劳强度五、规律性非稳定变应力时零件的疲劳强度受变幅循环应力时2Minger法那么：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，法那么：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独立进展的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力损伤是独立进展的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率之和等于的寿命损伤率之和等于1时，那么会发生疲劳破坏。时，那么会发生疲劳破坏。即：即： 注：在计算时，对于小于注：在计算时，对于小于 的应力，可不思索。的应力，可不思索

17、。2、疲、疲劳强度度设计损伤等效等效将规律性非稳定变应力将规律性非稳定变应力 等效稳定变应力简称等效应力等效稳定变应力简称等效应力用用 表示等效应力表示等效应力 的疲劳寿命。的疲劳寿命。用用 表示等效应力表示等效应力 的循环次数。的循环次数。受变幅循环应力时3损伤等效即为：损伤等效即为： 的寿命损伤率各应力的寿命损伤率之和。的寿命损伤率各应力的寿命损伤率之和。即：由疲由疲劳曲曲线方程可知：方程可知：可看作是等效方程那么上式那么上式变为： 将上式求出的将上式求出的 代入疲劳曲线方程即可求出代入疲劳曲线方程即可求出 下下的条件疲劳极限：的条件疲劳极限：下一步即可下一步即可进展零件平安系数的展零件平

18、安系数的计算。算。例题例题2 2：一杆件如以下一杆件如以下图所示，受脉所示，受脉动循循环拉力拉力 ，r=常数，常数，资料料为40Mn钢，调质处置，置，200HB230HB，B735MPa，S471MPa，圆角精角精铣加工加工(相当于精相当于精车)，要求要求应力循力循环次数不低于次数不低于5105 ，求，求圆角角处危危险截面的平安截面的平安系数系数S。解：解：1、求、求 和和 2、求、求 和和 需求查阅相关设计手册需求查阅相关设计手册3、求、求KN4 4、求圆角处、求圆角处 q=0.64 有效有效应力集中系数：力集中系数：实际应力集中系数：力集中系数：资料的敏感性系数：料的敏感性系数：尺寸系数：

19、尺寸系数：外表外表质量系数量系数P44P44附附图3-43-45 5、求平安系数、求平安系数计算疲算疲劳强度平安系数度平安系数 计算屈服算屈服强度平安系数度平安系数 知某钢材的机械性能为知某钢材的机械性能为 。1试按比例绘制该资料的简化疲劳极限应力图；试按比例绘制该资料的简化疲劳极限应力图；2由该资料制成的零件，接受非对称循环应力，其应力由该资料制成的零件，接受非对称循环应力，其应力循环特性循环特性r=0.3，任务应力，任务应力 ，零件的有效应，零件的有效应力集中系数力集中系数 ，零件的尺寸系数，零件的尺寸系数 ，外表，外表形状系数形状系数 ，按简单加载情况在该图中标出任务应力，按简单加载情况

20、在该图中标出任务应力点及对应的极限应力点；点及对应的极限应力点；3判别该零件的强度能否满足要求？判别该零件的强度能否满足要求？解：解：1 1绘制制资料的料的简化疲化疲劳极限极限应力力图。 例例3：S1000，0EA0，500B400，400OamA0， B ， S ，0A0，500B400，400S1000，0 2绘制零件的制零件的许用极限用极限应力力图S点不用点不用进展修正展修正 A0，278.5 B400，222.8S 1000，0 S1000，0EA0，500B400，400OamA0，278.5 B400，222.8S 1000，0 A0，278.5B400，222.8E3确定任务应力点确定任务应力点M的坐标。的坐标。任务应力点的坐标为任务应力点的坐标为M520，280 S1000，0EA0，500B400，400OamA0，278.5 B400，222.8S 1000，0 A0，278.5B400，222.8EM520，280M520，280MM点落在疲点落在疲劳平安区平安区OAE以外，以外，该零件零件发生疲生疲劳破坏。破坏。