機械零件強度

1、第三章第三章 機械零件的強度機械零件的強度主要內(nèi)容主要內(nèi)容n載荷和應(yīng)力的分類載荷和應(yīng)力的分類n機械零件強度的基本概念機械零件強度的基本概念n材料的疲勞特性材料的疲勞特性n疲勞強度的計算疲勞強度的計算n提高零件疲勞強度的措施提高零件疲勞強度的措施教學目標和教學重點教學目標和教學重點1、掌握載荷和應(yīng)力的分類；、掌握載荷和應(yīng)力的分類；2、熟悉機械零件強度的基本概念；、熟悉機械零件強度的基本概念；3、掌握材料的疲勞特性；、掌握材料的疲勞特性；4、 了解機械零件的強度計算和提高零件疲勞強度的措施。了解機械零件的強度計算和提高零件疲勞強度的措施。教學目標教學目標:教學重點教學重點:1、穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力類型及參

2、量；、穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力類型及參量；2、材料的疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線。、材料的疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線。1 1、零件設(shè)計中的載荷及其分類、零件設(shè)計中的載荷及其分類 靜載荷靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷. .變載荷變載荷：隨時間作周期性或非周期性變化的載荷：隨時間作周期性或非周期性變化的載荷. . 一、載荷和應(yīng)力的分類載荷可分為靜載荷和變載荷兩類。 注意注意: :在設(shè)計計算中，載荷又可分為名義載荷和計在設(shè)計計算中，載荷又可分為名義載荷和計算載荷，計算載荷等于載荷系數(shù)乘以名義載荷。算載荷，計算載荷等于載荷系數(shù)乘以名義載荷。 2應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類 靜應(yīng)力靜應(yīng)力：不隨時間

3、變化或變化緩慢的應(yīng)力。：不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力。變應(yīng)力變應(yīng)力: : 隨時間變化的應(yīng)力。隨時間變化的應(yīng)力。一、載荷和應(yīng)力的分類 變應(yīng)力又可分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力、非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力以變應(yīng)力又可分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力、非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力以及隨機變應(yīng)力等。最基本的變應(yīng)力為及隨機變應(yīng)力等。最基本的變應(yīng)力為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。 描述穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力有5個參量，應(yīng)力幅a、平均應(yīng)力m 、最小應(yīng)力min 、最大應(yīng)力max和循環(huán)特性系數(shù)r。但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。兩種類別sm平均應(yīng)力； sa應(yīng)力幅值smax最大應(yīng)力； smin最小應(yīng)力r 循環(huán)特性（應(yīng)力比）2minmaxmsss2minmaxasssmax

4、minssr上述參數(shù)中只有兩個參數(shù)是獨立的。 一、載荷和應(yīng)力的分類2應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類 r = -1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力分類圖示：應(yīng)力分類圖示： 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的類型有非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力和對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力三種。 2應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類 強度可分為靜應(yīng)力強度和變應(yīng)力強度強度可分為靜應(yīng)力強度和變應(yīng)力強度 a靜應(yīng)力強度靜應(yīng)力強度： 二、機械零件強度的基本概念 在靜應(yīng)力下工作的零件，其失效形式將是斷裂在靜應(yīng)力下工作的零件，其失效形式將是斷裂或塑性變形。因此需要計算靜強度?；蛩苄宰冃巍Ｒ虼诵枰嬎沆o強度。

5、b變應(yīng)力強度變應(yīng)力強度： 在變應(yīng)力下工作的零件，其失效形式將是疲勞在變應(yīng)力下工作的零件，其失效形式將是疲勞斷裂。因此需要計算其疲勞強度。斷裂。因此需要計算其疲勞強度。 1 1、基本概念、基本概念 零件在變應(yīng)力作用下的破壞，稱為疲勞破壞，零件在變應(yīng)力作用下的破壞，稱為疲勞破壞，一般也稱為疲勞失效。一般也稱為疲勞失效。 疲勞破壞產(chǎn)生的過程是：在變應(yīng)力作用下，零件表面首疲勞破壞產(chǎn)生的過程是：在變應(yīng)力作用下，零件表面首先產(chǎn)生初始裂紋，形成一個或數(shù)個疲勞源。在變應(yīng)力的繼續(xù)先產(chǎn)生初始裂紋，形成一個或數(shù)個疲勞源。在變應(yīng)力的繼續(xù)作用下，初始裂紋處的應(yīng)力集中促使裂紋擴展，使零件的實作用下，初始裂紋處的應(yīng)力集中促

6、使裂紋擴展，使零件的實際承載面積逐漸減小，直至不能承受外載荷時，導致零件突際承載面積逐漸減小，直至不能承受外載荷時，導致零件突然發(fā)生脆性斷裂。然發(fā)生脆性斷裂。 三、材料的疲勞特性a 疲勞破壞：疲勞破壞：特點：特點： 1在某類變應(yīng)力多次作用后突然斷裂；在某類變應(yīng)力多次作用后突然斷裂； 2斷裂時變應(yīng)力的最大應(yīng)力遠小于材料的屈服極限斷裂時變應(yīng)力的最大應(yīng)力遠小于材料的屈服極限 3即使是塑性材料，斷裂時也無明顯的塑性變形。即使是塑性材料，斷裂時也無明顯的塑性變形。 由此可見，疲勞破壞不僅僅與由此可見，疲勞破壞不僅僅與應(yīng)力的大小應(yīng)力的大小有關(guān)，而有關(guān)，而且還與且還與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和和應(yīng)力循環(huán)特性

7、應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。有關(guān)。 循環(huán)特性循環(huán)特性r r一定時，應(yīng)力循環(huán)一定時，應(yīng)力循環(huán)N N次后，材料不發(fā)生疲次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力，稱為勞破壞時的最大應(yīng)力，稱為疲勞極限疲勞極限。三、材料的疲勞特性1 1、基本概念、基本概念疲勞曲線CD段段( (有限壽命區(qū)間有限壽命區(qū)間) ): :)(DCmrNNNNCNs)DrrNNN （ssD點以后點以后(無限壽命區(qū)間無限壽命區(qū)間): 用用N N0 0及其相對應(yīng)的疲勞極限及其相對應(yīng)的疲勞極限 r來近來近似代表似代表N NDD和和 r,r,有：有：CNN0mrmrNss2 2、 s sN疲勞曲線疲勞曲線sN疲勞曲線三、材料的疲勞特性表示循環(huán)次數(shù)N和疲

8、勞極限間關(guān)系的曲線稱s sN疲勞曲線rNs疲勞曲線有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限srN的關(guān)系為：式中， N0為循環(huán)基數(shù)； sr為與N0相對應(yīng)的疲勞極限m為材料常數(shù)，值由材料試驗確定。rNmrKNNsss0rNsN疲勞曲線、 s sN疲勞曲線疲勞曲線三、材料的疲勞特性、極限應(yīng)力線圖（等壽命疲勞曲線）、極限應(yīng)力線圖（等壽命疲勞曲線） 機械零件材料的疲勞特性除用sN曲線表示外，還可用極限應(yīng)力線圖，即等壽命曲線來描述。該曲線表達了材料在不同循環(huán)特性下疲勞極限的特性。三、材料的疲勞特性在工程應(yīng)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。在工程應(yīng)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。A直線的方程為：ma1s

9、ssssmasssC直線的方程為：0012ssss為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?jīng)Q定：對于碳鋼，0.10.2，對于合金鋼，0.20.3。四、機械零件的疲勞強度計算在不對稱循環(huán)時，是試件與零件極限應(yīng)力幅的比值。1s材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限e1s零件對稱循環(huán)彎曲疲勞極限sssKe11零件的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限為: 1、零件的極限應(yīng)力線圖eK11sss如設(shè)彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù) ，且 機械零件的疲勞強度計算1 機械零件的疲勞強度計算22、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算工作應(yīng)力點:M N。機械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種： 應(yīng)力比為常數(shù)：r=C (如大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的

10、應(yīng)力狀態(tài))詳細分析平均應(yīng)力為常數(shù)m=C (如震動著的受載彈簧中的應(yīng)力狀態(tài)) 最小應(yīng)力為常數(shù)min=C （如今螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向變載荷時的 應(yīng)力狀態(tài)）機械零件的疲勞強度計算33、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算用統(tǒng)計方法進行疲勞強度計算不穩(wěn)定變應(yīng)力非規(guī)律性規(guī)律性按損傷累積假說進行疲勞強度計算規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力機械零件的疲勞強度計算3當損傷率達到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，對應(yīng)于極限狀況有：1332211NnNnNnSScacass1計算安全系數(shù)：機械零件的疲勞強度計算44、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算 當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力sa 和ta時，由實驗得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：12e1a2e1asstt式中 ta及sa為同時作用的切向及法向應(yīng)力幅的極限值。計算安全系數(shù)：22caSSSSOMOMS機械零件的疲勞強度計算5五、提高機械零件疲勞強度的措施 在綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟性后，采用具有高疲勞強度的材料，并配以適當?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強化處理。 適當提高零件的表面質(zhì)量，特