機械零件的疲勞強度設計教學PPT.ppt

第三章 機械零件的疲勞強度設計,3-1 概 述,3-2 疲勞曲線和極限應力圖,3-3 影響零件疲勞強度的主要因素,3-4 雙向穩(wěn)定變應力時零件的疲勞強度,3-5 單向不穩(wěn)定變應力時零件的疲勞強度,疲勞的基本概念,生活經(jīng)驗 用力拉一根鐵絲很難拉斷，反復地彎這根鐵絲卻能將它折斷。,疲勞（fatigue）是由應力不斷變化引起的材料逐漸破壞的現(xiàn)象。,疲勞的基本概念,美國材料試驗協(xié)會（american society for testing materials, astm）將疲勞定義為 “材料某一點或某一些點在承受交變應力和應變條件下，使材料產(chǎn)生局部的永久性的逐步發(fā)展的結(jié)構(gòu)性變化過程。在足夠多的交變次數(shù)后，它可能造成裂紋的積累或材料完全斷裂”。,為什么金屬疲勞時會產(chǎn)生破壞作用呢？,這是因為金屬表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區(qū)。與此同時，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時，金屬構(gòu)件就會全部毀壞。,為什么金屬疲勞時會產(chǎn)生破壞作用呢？ 位錯也會產(chǎn)生微裂紋,對于塑性材料，當材料即使是經(jīng)受比屈服極限低得多的交變應力作用時，材料內(nèi)部也會激發(fā)位錯滑移（dislocation slip）。在一次加載時，這一塑性應變的量非常小，不會有什么影響。然而，在許多次的應力循環(huán)下，在這滑移面附近會逐漸產(chǎn)生硬化(work hardening)。塑性應變逐漸積累，結(jié)果產(chǎn)生微裂縫。這些裂縫數(shù)量逐漸增加，并擴展，最終達到臨界大小，引起材料斷裂。,疲勞破壞的特征1,1，破壞時的最大應力遠低于材料的抗拉強度極限，甚至低于材料的屈服極限。,疲勞破壞的特征2,2，不論是塑性材料還是脆性材料，疲勞破壞都呈脆性斷裂的特征，破壞前無明顯的塑性變形，破壞突然發(fā)生，所以有很大的危險性。,疲勞破壞的特征3,3，從斷口的形貌來看先在構(gòu)件的高應力區(qū)的表面缺陷處形成疲勞源隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴展，在這一過程中，由于裂紋兩側(cè)表面的研磨，寫成了光滑區(qū)。隨著裂紋擴展，構(gòu)件的截面逐漸削弱，直至不能承擔載荷而突然斷裂，形成斷口上的粗糙區(qū)。,疲勞破壞的特征4,二、應力的分類：,變應力：隨時間變化,靜應力：不隨時間變化或變化緩慢,2,變應力的描述,sm平均應力；,smax最大應力； smin最小應力,r 應力比（循環(huán)特性）,描述規(guī)律性的交變應力可有5個參數(shù)，但其中只有 2 個參數(shù)是獨立的。,sa應力幅,1、非對稱循環(huán),2、對稱循環(huán),3、脈動循環(huán),4、靜應力,5、規(guī)律性非穩(wěn)定變應力,6、隨機變應力,專家們展開調(diào)查，他們從現(xiàn)場找到穿入車體的一塊破損的車輪鋼圈。經(jīng)過研究，這塊鋼圈正是悲劇的罪魁禍首! 原來，在高鐵開通之時，884號列車所用的車輪都是單層的，也就是用一塊完整的鋼材做成的，但是德國鐵路很快發(fā)現(xiàn)，這種單層的車輪有其不完美的地方，那就是列車開動時，車輪會向內(nèi)產(chǎn)生摩擦，繼而產(chǎn)生很大的噪聲，影響到車內(nèi)的乘客。 要改變這種狀況，辦法有兩個：一個是更換鐵軌或者列車，另一個則是改進車輪。顯然，前者不切實際，后者則相對容易和省錢。德國鐵路決定實施后者。 1992年8月31日，德國鐵路啟用改進后的064型雙層車輪。與之前相比，064型車輪在原先的單層車輪外面再包上一個車輪，同時在兩者之間用橡膠墊壓。果然，換上雙層車輪后，摩擦和噪聲都沒有了。 直到事故發(fā)生前，雙層車輪沒有發(fā)生過任何問題，這讓德國鐵路自信滿滿。 然而，他們卻忽略了一個問題，那就是由于承載著很大的壓力，雙層車輪的金屬會因為互相之間的擠壓和自動伸縮產(chǎn)生疲勞。這種反復的擠壓和伸縮會造成鋼材的逐步老化直至最終的斷裂，這就如同兩根曲折針來來回回互相折，最終會斷裂是一個道理。,德國高鐵事故，雙層車輪減少震動卻引發(fā)疲勞破壞,受拉,受壓,典型的疲勞曲線如右圖所示：,可以看出： 隨 n 的增大而減小。但是當 n 超過某一循環(huán)次數(shù) n0 時，曲線趨于水平。即不再隨 n 的增大而減小 。,n0 -循環(huán)基數(shù)。,以 n0 為界，曲線分為兩個區(qū)：,1）無限壽命區(qū)：當 n n0 時，曲線為水平直線，對應的疲勞極 限是一個定值，用 表示。它是表征材料疲勞強度的重要指標，是疲勞設計的基本依據(jù)。,sn 疲勞曲線,有限壽命區(qū),無限壽命區(qū),c,d,sn 疲勞曲線,有限壽命區(qū),無限壽命區(qū),c,d,低周疲勞,高周疲勞,sn 疲勞曲線,有限壽命區(qū),無限壽命區(qū),c,d,低周疲勞,高周疲勞,說明,至此，我們已解決了第一個問題，我們可以根據(jù)材料的疲勞曲線圖求出在給定的循環(huán)特性r下的不同的循環(huán)次數(shù)n時所對應的疲勞極限應力rn。試驗表明，同樣的材料在不同的循環(huán)特性r下的疲勞曲線的位置不相同，即使有相同的循環(huán)次數(shù)n，其對應的疲勞極限應力值rn也不相同，如用疲勞曲線圖來求不同的循環(huán)特性r下的疲勞極限應力rn將非常不實際，也不可行。因此，我們將引入第二個線圖來解決這個問題-極限應力曲線（等壽命疲勞曲線 -“n” 相同）,材料不同，循環(huán)特性不同，曲線就都不同，而每個實驗都要花很多時間，所以不可行。 我們需要有這樣的圖，把同一種材料在不同應力循環(huán)狀態(tài)下所有的疲勞極限應力都表示出來。,一一對應,每個最大應力和應力比對應一個點,二材料的極限應力曲線,1試件的極限應力線圖：在相同n（n0），不同r時的曲線,脈動循環(huán)變應力,靜應力,對稱循環(huán)變應力,d,c,a,安全,1試件的極限應力線圖：在相同n（n0），不同r時的曲線,脈動循環(huán)變應力,靜應力,對稱循環(huán)變應力,d,c,a,安全,c,2材料的極限應力線圖的簡化 adgc線,已知-1、0、s (循環(huán)次數(shù)n=n0時) 作圖如下：1找a、d、c（s，0）三點。 2連接ad并延長。 3過c作與橫軸成135的直線與 ad連線或其延長線交于g點。,具體簡化過程如下頁所示,a,m,a,c（ s ，0）,45,0/2,0/2,0,g,d,a,m,a,c（ s ，0）,45,0/2,0/2,0,g,d,a,m,a,c（ s ，0）,45,0/2,0/2,0,g,d,g,g,想一想：在圖中的g和g”點r值范圍,a,m,a,c（ s ，0）,45,0/2,0/2,0,g,d,f,f,f點和f點在從o點出發(fā)的同一條直線上，r相同,a,m,a,c（ s ，0）,45,0/2,0/2,0,g,d,f,f,f點和f點在從o點出發(fā)的同一條直線上，r相同,由于尺寸，幾何形狀，加工質(zhì)量及強化等因素，零件疲勞極限小于材料試件的。表現(xiàn)為承受的應力幅會下降。,三零件的極限應力線圖adgc線,a,d,g,1坐標點及其坐標值的變化,三個特征坐標,說明,1k為綜合影響系數(shù)，只影響a 2k只影響ag線的位置。,2作圖,已知-1 、0 、s 、 k 、 根據(jù)公式計算出a、d坐標值 作圖如下：1找a、d兩點。 a（0，-1e），d（0/2，0e/2） 2連接ad并延長與cg交于g點。,具體作圖過程如下頁所示,d,g,c,a,材料,零件,d,g,c,a,材料,零件,c,a,g,從o點出發(fā)的斜直線上r相同,c,a,g,極限應力,當前應力,量出縱橫坐標值并計算得安全系數(shù) s,c,a,g,極限應力,當前應力,量出縱橫坐標值并計算得安全系數(shù) s,c,a,g,極限應力,當前應力,量出縱橫坐標值并計算得安全系數(shù) s,g點左側(cè),c,a,g,極限應力,當前應力,量出縱橫坐標值并計算得安全系數(shù) s,g點右側(cè),c,a,g,k,c,a,g,k,e,c,a,g,很罕見，不討論,已知某零件材料的機械性能為：,（1）試畫出材料的簡化極限應力圖 （2）如果疲勞強度綜合影響系數(shù) 繪制此零件的簡化極限應力圖 （3）若零件所受的最大應力為 應力循環(huán)特性系數(shù)為 求平均應力和應力幅并在圖中標出應力點 （4）在上述情況下零件的安全系數(shù)為多少？,已知某零件材料的機械性能為：,（1）試畫出材料的簡化極限應力圖 （2）如果疲勞強度綜合影響系數(shù) 繪制此零件的簡化極限應力圖 （3）若零件所受的最大應力為 應力循環(huán)特性系數(shù)為 求平均應力和應力幅并在圖中標出應力點 （4）在上述情況下零件的安全系數(shù)為多少？,解：,0,800,600,500,500,0,800,600,500,500,300,0,800,600,500,500,300,注意:零件的圖線與材料的圖線斜率不同,300,200,300,390,260,300,200,300,390,260,300,200,300,的情況下安全系數(shù)?,300,200,300,350,260,為常數(shù)的情況下安全系數(shù)?,3-2,解：,3-3 影響零件疲勞強度的主要因素：三個方面,1應力集中的影響：,2尺寸大小的影響：,3 表面狀態(tài)的影響：,k,（尺寸越大， 越?。?加工質(zhì)量 （加工質(zhì)量越高， 越大） 強化因素 q1,具體見本章的附錄,1k只影響應力幅a 2對于剪應力，只須將代替即行,說明,k對零件疲勞強度的影響： 1k越大，零件疲勞強度就越低， 2零件的疲勞強度總小于材料的疲勞強度,如對稱循環(huán)的疲勞極限變?yōu)?疲勞極限表示為,有效應力集中系數(shù),尺寸系數(shù),表面質(zhì)量系數(shù),強化系數(shù),敏化系數(shù),理論應力集中系數(shù),例： 已知某軸軸肩處的尺寸為：d=54mm,d=45mm,r=3mm，表面拋光，未作強化處理，材料的機械性能為：,計算綜合影響系數(shù),0.04,0.10,2.09,1.62,45,未強化取,3-4雙向穩(wěn)定變應力下零件的疲勞強度,0,雙向應力是指零件上同時作用有法向和切向同相位對稱循環(huán)穩(wěn)定變應力，此時的極限應力圖為,僅受對稱循環(huán)正應力或切應力時零件的疲勞極限,代入,令,當零件承受的是不對稱的雙向應力時：,轉(zhuǎn)軸計算： 彎曲應力按對稱循環(huán)處理 單向轉(zhuǎn)動扭轉(zhuǎn)切應力 按脈動循環(huán)處理 雙向轉(zhuǎn)動扭轉(zhuǎn)切應力 按對稱循環(huán)處理,例：已知轉(zhuǎn)軸危險截面的直徑為d=40mm，彎矩m=300nm， 轉(zhuǎn)矩t=800nm，單向轉(zhuǎn)動（彎矩是對稱循環(huán)，轉(zhuǎn)矩是脈動循環(huán)），材料的,試計算在彎矩和轉(zhuǎn)矩作用下的安全系數(shù),解：,教材例題：某軸肩處，軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得：,磨削加工，不經(jīng)過強化處理，軸肩處,求：截面上的彎曲應力；截面上的扭轉(zhuǎn)切應力；該處的綜合影響系數(shù)；安全系數(shù),教材例題：某軸肩處，軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得：,磨削加工，不經(jīng)過強化處理，軸肩處,求：截面上的彎曲應力；截面上的扭轉(zhuǎn)切應力；該處的綜合影響系數(shù)；安全系數(shù),教材例題：某軸肩處，軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得：,磨削加工，不經(jīng)過強化處理，軸肩處,求：截面上的彎曲應力；截面上的扭轉(zhuǎn)切應力；該處的綜合影響系數(shù)；安全系數(shù),求出綜合影響系數(shù)：,解析法,c,a,g,c,a,g,c,a,g,k,3-5單向不穩(wěn)定變應力下零件的疲勞強度,miner假說,正好損壞,miner假說,未損壞,例:比較兩種情況,看哪種對材料的破壞作用大?已知:,500,105,n,104次,600,104次,550,104次,400,104次,100,500,105,n,在500mpa作用下最多應力循環(huán)次數(shù)為:,500,損傷率:,104次,600,104次,550,104次,400,104次,100,分別代入 12 3得:,代入,總損