第二章機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、1第二章第二章 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1 1）循環(huán)變載荷）循環(huán)變載荷 a) a) 穩(wěn)定循環(huán)變載荷穩(wěn)定循環(huán)變載荷 b) b) 不穩(wěn)定循環(huán)變載荷不穩(wěn)定循環(huán)變載荷2 2）隨機(jī)變載荷）隨機(jī)變載荷靜載荷靜載荷變載荷變載荷1. 變化變化名義載荷名義載荷計(jì)算載荷計(jì)算載荷2. 作用作用2隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力1. 應(yīng)力種類應(yīng)力種類變應(yīng)力變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力一個(gè)循環(huán)OOtt 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)32、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參

2、數(shù)和種類、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類 1) 基本參數(shù)基本參數(shù) 應(yīng)力循環(huán)特性應(yīng)力循環(huán)特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxmin最大應(yīng)力最大應(yīng)力最小應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)應(yīng) 力力 幅幅112) 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類 -1 +1且0非對(duì)稱非對(duì)稱 =+1 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 = 1 對(duì)稱對(duì)稱 = 0 脈動(dòng)脈動(dòng)4 1.1.疲勞破壞特征疲勞破壞特征： 1 1）斷裂過程：）斷裂過程：產(chǎn)生初始裂紋，疲勞源（應(yīng)力較大處）產(chǎn)生初始裂紋，疲勞源（應(yīng)力較大處）裂紋反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋，斷裂。裂紋反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋，斷裂。 2 2）斷裂面：）斷裂面： 光滑區(qū)

3、光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)），以疲勞源為中心疲勞紋線（疲勞發(fā)展區(qū)），以疲勞源為中心疲勞紋線相互平行，間隔相互平行，間隔0.10.11 1m。 粗糙區(qū)粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）（脆性斷裂區(qū)） 3 3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂 4 4）破壞時(shí)應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限）破壞時(shí)應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限5疲勞源疲勞源(初始裂紋初始裂紋)光滑的疲勞區(qū)光滑的疲勞區(qū)同心疲勞紋同心疲勞紋前沿線前沿線粗糙的粗糙的斷裂區(qū)斷裂區(qū)壟溝紋壟溝紋旋轉(zhuǎn)彎曲、載荷小和表面應(yīng)力集中大有三旋轉(zhuǎn)彎曲、載荷小和表面應(yīng)力集中大有三個(gè)初始裂紋的疲勞斷裂截面?zhèn)€初始裂紋的疲勞斷裂截面62.2.疲勞破

4、壞的疲勞破壞的機(jī)理機(jī)理：損傷的累積：損傷的累積3.3.影響因素影響因素：材料性能，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循：材料性能，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對(duì)疲勞極限有很大影響。環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對(duì)疲勞極限有很大影響。注意注意：。 7疲勞極限疲勞極限：（疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)以疲勞極限作為極限應(yīng)力）：（疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)以疲勞極限作為極限應(yīng)力） 在應(yīng)力比為在應(yīng)力比為 的的循環(huán)變應(yīng)力下，應(yīng)力循環(huán)循環(huán)變應(yīng)力下，應(yīng)力循環(huán)N次后，次后，材料材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限極限。)(NN疲勞壽命疲勞壽命： 材料材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)疲勞失效前所經(jīng)歷

5、的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N。 應(yīng)力循環(huán)特性應(yīng)力循環(huán)特性 一定時(shí)，一定時(shí)，材料材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線次數(shù)之間關(guān)系的曲線。8NN 持久極限ONN0NN有限壽命區(qū)N無限壽命區(qū)1 1）無限壽命區(qū)）無限壽命區(qū)0NN N循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù) 持久極限持久極限對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)：脈動(dòng)循環(huán)：脈動(dòng)循環(huán)：0011 有色金屬有色金屬高強(qiáng)度合金鋼高強(qiáng)度合金鋼 無水平線無水平線92 2）有限壽命區(qū)）有限壽命區(qū) 當(dāng)當(dāng)N103(104)高周循環(huán)疲勞高周循環(huán)疲勞043)10(10NN 隨循環(huán)次數(shù)隨循環(huán)次數(shù)疲勞極限疲勞極限3 3）疲勞曲線方程）疲勞曲線方程CNNmmN010NmNKNN0疲勞極限疲勞極

6、限幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明： 2 2）硬度）硬度350HBS350HBS鋼，鋼，No=10No=106 610107 7； 350HBS350HBS鋼，鋼，No =10 x10No =10 x107 7 25x1025x107 7； 有色金屬有色金屬( (無水平部分無水平部分) No=25x10) No=25x107 7 。3 3）m壽命指數(shù)，壽命指數(shù)，與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。 鋼鋼拉壓、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力拉壓、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力 m=9m=9； 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力m=6m=6。 青銅青銅彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力 m=9 m=9 ；接觸應(yīng)力；接觸應(yīng)力m=8m=8。1 1）KN 壽命系數(shù)

7、壽命系數(shù)，NNoNNo時(shí)，取時(shí)，取N=No N=No 。11am-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450r :-1+1A :對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)極限應(yīng)力點(diǎn)極限應(yīng)力點(diǎn)B :脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)極限應(yīng)力點(diǎn)極限應(yīng)力點(diǎn)C :靜強(qiáng)度極靜強(qiáng)度極限應(yīng)力點(diǎn)限應(yīng)力點(diǎn)12高塑鋼高塑鋼ADG簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線；簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線； AD疲勞強(qiáng)度線；疲勞強(qiáng)度線；DG 屈服強(qiáng)度線。屈服強(qiáng)度線。不允許塑性變形不允許塑性變形-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450 D13高塑鋼高塑鋼AD線方程：線方程：1raarm1002tan 低塑鋼或鑄鐵低塑鋼或鑄鐵AC線方程：線方程：11rar

8、mb14一、一、應(yīng)力集中應(yīng)力集中的影響的影響零件受載時(shí)，在幾何形狀零件受載時(shí)，在幾何形狀突變突變處（圓角、凹槽、孔、處（圓角、凹槽、孔、螺紋、過盈配合等）要產(chǎn)生螺紋、過盈配合等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中應(yīng)力集中。對(duì)應(yīng)力集中的對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度敏感程度與零件的與零件的材料材料有關(guān)，一般材料有關(guān)，一般材料強(qiáng)度越高，硬度越高，對(duì)應(yīng)力集中越敏感。強(qiáng)度越高，硬度越高，對(duì)應(yīng)力集中越敏感。 11 K11 Kkk疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù) 1 15二、零件二、零件尺寸尺寸的影響的影響尺寸系數(shù)尺寸系數(shù) 1 1. 1. 零件尺寸逾大時(shí)，材料的晶粒較粗，冷、熱加零件尺寸逾大時(shí)，材料的晶粒較粗，冷、熱加工中出現(xiàn)缺陷的概率大；工

9、中出現(xiàn)缺陷的概率大；2. 2. 機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對(duì)較薄；機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對(duì)較薄； 對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著。對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著。 111116三、三、表面狀態(tài)表面狀態(tài)的影響的影響 表面狀態(tài)系數(shù)表面狀態(tài)系數(shù)11表面質(zhì)量表面質(zhì)量指表面粗糙度、表面強(qiáng)化及工作環(huán)境。指表面粗糙度、表面強(qiáng)化及工作環(huán)境。強(qiáng)化處理強(qiáng)化處理淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等冷作工藝。噴丸、滾壓等冷作工藝。17四、四、綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù) 綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值。極限應(yīng)力幅的比

10、值。 只影響應(yīng)力幅。只影響應(yīng)力幅。DDKkKk1-1K11DKDKK零件的零件的疲勞極限疲勞極限18一、受一、受單向應(yīng)力單向應(yīng)力時(shí)零件的安全系數(shù)時(shí)零件的安全系數(shù)ABDD1GB1A1P1ams0/200/2KD-1/KD-1am零件的零件的1DamK 只受單向拉壓、只受單向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等彎曲、扭轉(zhuǎn)等零件極限應(yīng)力圖零件極限應(yīng)力圖A1B1D1G疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度線線A1D1屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度線線GD1直線直線A1D1的方程：的方程：19D1GA1N1amsm0a-1/KD/maC規(guī)律下疲勞強(qiáng)度分析圖規(guī)律下疲勞強(qiáng)度分析圖(, )maNKMM1H零件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)零件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：確定零件危險(xiǎn)截面上確定零

11、件危險(xiǎn)截面上的的工作應(yīng)力點(diǎn)工作應(yīng)力點(diǎn)N。在極限應(yīng)力線上確定在極限應(yīng)力線上確定極限應(yīng)力點(diǎn)極限應(yīng)力點(diǎn)N1。 計(jì)算計(jì)算安全系數(shù)安全系數(shù)。應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律：應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律：/maC（1）難以確定增長(zhǎng)規(guī)律時(shí)，難以確定增長(zhǎng)規(guī)律時(shí)，極限應(yīng)力點(diǎn)為極限應(yīng)力點(diǎn)為N1。OA1D1為疲勞強(qiáng)度區(qū)為疲勞強(qiáng)度區(qū)OD1G 為屈服強(qiáng)度區(qū)為屈服強(qiáng)度區(qū)大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 20D1GA1N1amsm0a-1/KD(, )maNKMM1Ha) 工作應(yīng)力點(diǎn)位于工作應(yīng)力點(diǎn)位于OA1D1內(nèi)內(nèi)按按疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算/mama1DamK 零件的疲勞極限零件的疲勞極限為為1lim()maeamDamk 強(qiáng)度條件為強(qiáng)度條件

12、為 lim1maxmaeDamssk ass21b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于工作應(yīng)力點(diǎn)位于OD1G 內(nèi)內(nèi)極限應(yīng)力為極限應(yīng)力為屈服極限屈服極限按按靜強(qiáng)度靜強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算limmax esmassD1GA1N1amsm0a-1/KD(, )maNKMM1H不易判斷工作應(yīng)力點(diǎn)落在哪個(gè)區(qū)，則按兩式不易判斷工作應(yīng)力點(diǎn)落在哪個(gè)區(qū)，則按兩式同時(shí)核算同時(shí)核算兩種安全系數(shù)兩種安全系數(shù)。22mC（2）振動(dòng)中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)振動(dòng)中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)D1GA1N1amsm0-1/KD(, )maNM1(,)mamFEPMOA1D1E為疲勞強(qiáng)度區(qū)為疲勞強(qiáng)度區(qū)ED1G 為屈服強(qiáng)度區(qū)為屈服強(qiáng)度區(qū)a) 工作應(yīng)力點(diǎn)位于工作應(yīng)力點(diǎn)位于

13、OA1D1E內(nèi)內(nèi)mm1DamK 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： malimmaxmama1mma()()eDDsksk1aaamaDassK 按兩式同時(shí)驗(yàn)算按兩式同時(shí)驗(yàn)算limmax esmass23minC（3）緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài)緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài) D1GA1N1amsmin0-1/KD(, )maNM1(,)maminFEPMmama1DamK limmaxmamama1minmina2()()(2)eDDsksk1minaa()aaDassK 按兩式同時(shí)驗(yàn)算按兩式同時(shí)驗(yàn)算limmax esmass24注意：注意：1 1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能確定，一般采用）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)

14、律不能確定，一般采用=C=C的情況計(jì)算。的情況計(jì)算。2 2）上述計(jì)算均為按）上述計(jì)算均為按無限壽命無限壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，若按進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，若按有限有限壽命要求設(shè)計(jì)零件時(shí)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)壽命要求設(shè)計(jì)零件時(shí)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)10103 3(10(104 4)NNo)NNo時(shí)，這時(shí)上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為時(shí)，這時(shí)上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限有限壽命的疲勞極限 ，即應(yīng)以即應(yīng)以-1N-1N 代代-1-1 ，以，以oNoN代代o o 3 3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點(diǎn)所在區(qū)域時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮可能）當(dāng)未知工作應(yīng)力點(diǎn)所在區(qū)域時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮可能出現(xiàn)的出現(xiàn)的兩種兩種情況情況4 4）對(duì)）對(duì)切應(yīng)力切應(yīng)力上述公式同樣適用，只