第三章.機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度

第三章機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度,31疲勞斷裂的特征,疲勞強(qiáng)度計算方法：1、安全壽命設(shè)計2、破損安全設(shè)計,一、失效形式：疲勞斷裂,二、疲勞破壞特征：,1、斷裂過程：產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）裂紋尖端在切應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。2、斷裂面：光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）,3、無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4、破壞時的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,三、疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積四、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅（應(yīng)力集中、表面狀態(tài)、零件尺寸）都對疲勞極限有很大影響。,32材料的疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,疲勞極限，循環(huán)變應(yīng)力下應(yīng)力循環(huán)N次后,材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限,疲勞壽命（N）材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù),疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線,一、疲勞曲線,No循環(huán)基數(shù)持久極限,1、有限壽命區(qū)當(dāng)N25x107時,近似為無限壽命區(qū),m指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。鋼m=9拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力m=6接觸應(yīng)力青銅m=9彎曲應(yīng)力m=8接觸應(yīng)力,應(yīng)力循環(huán)特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強(qiáng)度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利,二、材料的疲勞極限應(yīng)力圖,對任何材料（標(biāo)準(zhǔn)試件）而言，對不同的應(yīng)力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即每種應(yīng)力循環(huán)特性下都對應(yīng)著該材料的最大應(yīng)力，再由應(yīng)力循環(huán)特性可求出和、,以為橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性下的極限和的關(guān)系圖,同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性下的疲勞極限圖，此時N=N0,曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特性下的材料疲勞極限：,A對稱疲勞極限點B脈動疲勞極限點S屈服極限點F強(qiáng)度極限點,對稱極限點強(qiáng)度極限點脈動疲勞極限點屈服極限點簡化極限應(yīng)力線圖：簡化極限應(yīng)力圖作法：考慮材料的最大應(yīng)力不超過疲勞極限，得及延長線考慮塑性材料的最大應(yīng)力不超過屈服極限，得,上各點：如果不會疲勞破壞上各點：如果不會屈服破壞,ABES折線以內(nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應(yīng)力點離折線越遠(yuǎn)，安全程度愈高。,材料的簡化極限應(yīng)力線圖，可根據(jù)材料的和三個試驗數(shù)據(jù)和而作出,33影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素,由于實際機(jī)械零件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間在絕對尺寸、表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、環(huán)境介質(zhì)等方面往往有差異，這些因素的綜合影響使零件的疲勞極限不同于材料的疲勞極限，其中尤以應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項因素對機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度影響最大。,一、應(yīng)力集中的影響有效應(yīng)力集中系數(shù),零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)，一般材料強(qiáng)度越高，硬度越高，對應(yīng)力集中越敏感,材料對應(yīng)力集中的敏感系數(shù),為考慮零件幾何形狀的理論應(yīng)力集中系數(shù),二、零件尺寸的影響尺寸系數(shù),由于零件尺寸愈大時，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對較薄，所以對零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著,三、表面狀態(tài)的影響,表面狀態(tài)系數(shù),零件加工的表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對疲勞強(qiáng)度的影響,鋼的越高，表面愈粗糙，愈低,四、綜合影響系數(shù),應(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力無影響試驗而得,故計算時，零件的工作應(yīng)力副要乘以綜合影響系數(shù)，或則材料的極限應(yīng)力副要除以綜合影響系數(shù),34許用疲勞極限應(yīng)力圖,隨機(jī)變應(yīng)力,一、穩(wěn)定變應(yīng)力和非穩(wěn)定變應(yīng)力,穩(wěn)定變應(yīng)力平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和周期都不隨時間變化的變應(yīng)力,非穩(wěn)定變應(yīng)力若平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和周期中只要有一個隨時間變化的變應(yīng)力,非穩(wěn)定變應(yīng)力,規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力,二、許用疲勞極限應(yīng)力圖,由于只對有影響，而對無影響，在材料的極限應(yīng)力圖ABES上幾個特殊點以坐標(biāo)計入影響,零件脈動循環(huán)疲勞點,零件對稱循環(huán)疲勞點,AE許用疲勞極限曲線，ES屈服極限曲線,直線AB方程:,直線ES方程：,三、工作應(yīng)力的增長規(guī)律,1、簡單加載規(guī)律,2、復(fù)雜加載規(guī)律,E,35穩(wěn)定變應(yīng)力時安全系數(shù)的計算,一、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算,四、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算,1、大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài),過原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交ABES于M和N點，由于直線上任一點的應(yīng)力循環(huán)特性均相同,M和N點即為所求的極限應(yīng)力點,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAE內(nèi),極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算,零件的極限應(yīng)力，疲勞極限：,強(qiáng)度條件為：,b)工作應(yīng)力點位于OES內(nèi),極限應(yīng)力為屈服極限，,按靜強(qiáng)度計算：,2、振動中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài),需在極限應(yīng)力圖上找一個其平均應(yīng)力與工作應(yīng)力相同的極限應(yīng)力，如圖，過工作應(yīng)力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AGC于M（N）點，即為極限應(yīng)力點,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAEH區(qū)域,極限應(yīng)力為疲勞極限,強(qiáng)度條件：,b）工作應(yīng)力點位于GHC區(qū)域,極限應(yīng)力為屈服極限,強(qiáng)度條件為：,3、變軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài),過工作應(yīng)力點M（N）作與橫坐標(biāo)成45的直線，則這直線任一點的最小應(yīng)力均相同，直線與極限應(yīng)力線圖交點即為所求極限應(yīng)力點。,a)工作應(yīng)力點位于OJEI區(qū)域內(nèi),求AE與MM的交點:,強(qiáng)度條件:,極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算,c）工作應(yīng)力位于OAJ區(qū)域內(nèi),b)工作應(yīng)力點位于IGC區(qū)域,極限應(yīng)力為屈服極限按靜強(qiáng)度計算,極限應(yīng)力點為,靜強(qiáng)度條件,為負(fù)值，工程中罕見，故不作考慮。,5）等效應(yīng)力幅,注意：,1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用=C的情況計算,2）上述計算均為按無限壽命進(jìn)行零件設(shè)計，若按有限壽命要求設(shè)計零件時，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)NNo時，這時上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限即應(yīng)以-1N代-1，以oN代o,3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點所在區(qū)域時，應(yīng)同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況,4）對切應(yīng)力上述公式同樣適用，只需將改為即可。,二、復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)時的疲勞強(qiáng)度計算,1、塑性材料1）疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)a：,按第三強(qiáng)度理論,按第四強(qiáng)度理論,2）屈服強(qiáng)度安全系數(shù),2.脆性材料與低塑性材料,b：,六、規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力時零件的疲勞強(qiáng)度疲勞累計假說圖3.22設(shè)i為當(dāng)循環(huán)特性為r時各個循環(huán)的最大應(yīng)力,Ni為各應(yīng)力相對應(yīng)的積累循環(huán)次數(shù),Ni為與各應(yīng)力相對應(yīng)的材料發(fā)生疲勞破壞時的極限循環(huán)次數(shù)在每一次應(yīng)力作用下,零件壽命就要受到微量的疲勞損傷,當(dāng)疲勞損傷積累到一定程度達(dá)到疲勞壽命極限時便發(fā)生疲勞斷裂.壽命損傷率：,理論上F=1,但實驗表明F=(0.72.2