机械设计学第七章

L/O/G/O机械设计学长春工业大学机电学院www.themegallery.com第七章机械产品设计中的几个主要技术问题机械疲劳设计摩擦学设计可靠性设计机械的热效应设计4123机械的抗振性设计与低噪声设计5机械动态设计6人机学设计7www.themegallery.com一、疲劳破坏的机制和特点1、疲劳的概念：材料或零件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称为疲劳。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com2、疲劳破坏机制疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹的萌生-扩展-失稳断裂(1)疲劳裂纹萌生由局部塑性应变集中引起，有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；晶界和孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。如：滑移带开裂的过程是出现滑移线，在循环载荷作用下，随着载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变粗而形成滑移带和驻留滑移带。滑移结果，在驻留滑移带上形成“挤入”或“挤出”现象，在继续循环加载的情况下．挤入部分向滑移带纵深发展，从而形成疲劳微裂纹。如图7—2示。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com(2)疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展分为两个阶段：当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与正应力大致成45°角的滑移面扩展。裂纹沿着最大切应力方向的滑移面扩展称为疲劳裂纹第一扩展阶段。该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长度，其范围在2~5个晶粒之内。当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后，裂纹扩展方向开始由应力呈45°方向逐渐转向与应力成垂直的方向，这种拉伸形式的扩展称为第二阶段裂纹扩展，如图7-1示。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com(3)失稳断裂损伤逐渐积累到临界值时，即发生瞬间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图7—2。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com•1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力－疲劳断裂应力(即循环应力中最大应力)远比静应力下材料的抗拉强度极限σb低，甚至比材料的屈服强度极限σs低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。•2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数：疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的，因而要经历一定的时间，甚至很长时间。•3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂：不论是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。3.疲劳破坏特点第一节机械疲劳设计www.themegallery.com•4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等。•5）疲劳断口上明显地分为两个区域。在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏断口的显著特点，即有疲劳源(或称疲劳核心)、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7—2所示。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口最重要的特征区域，在该区域中，常见到明显的相互平行的弧形线，称贝纹线或海滩波纹线；瞬断区：也称最终破断区。这是静力破断部分。该区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤维状，对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的唇边、刃口等。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com循环特性：r=-1对称循环r=0脉动循环-1r1不对称循环（r非0）maxminr掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件。1、周期载荷：载荷幅值随时间的变化有规则。周期载荷按照交变应力的特征(应力比r)，可分为：对称循环、脉动循环、不对称循环。二、载荷类型第一节机械疲劳设计www.themegallery.commaxminmminmax21maminmax21amaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅应力比第一节机械疲劳设计www.themegallery.com2、载荷谱：交变载荷随时间的变化过程3、随机载荷：载荷幅值随时间的变化无规则，载荷不仅幅值变化，频率也变化，但其变化符合统计规律。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限1、疲劳失效交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布，称之为交变应力或交变应变。疲劳失效：在交变应力与交变应变作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象，称之为疲劳失效；第一节机械疲劳设计www.themegallery.com材料的疲劳强度指材料或标准试件抵抗疲劳失效的能力，即试件在交变载荷作用下发生破坏时的应力。结构的疲劳强度指结构件抵抗疲劳失效的能力，即结构在交变载荷作用下发生破坏时的应力。此结构指机械零件、部件、整机的统称。衡量疲劳强度大小的指标是“疲劳强度极限”，简称疲劳极限。疲劳极限：是指在一定循环特征下，材料或结构可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com2、疲劳曲线（S—N曲线）•在交变载荷作用下，零件承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，用疲劳曲线来表示。•材料的疲劳强度：在一组标准试件上施加不同载荷F，使试件承受应力比r为某值，最大应力为σmax的交变应力作用，将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录循环次数N。则该循环次数下试件发生破坏时的应力σmax称为材料的疲劳强度，用Sf表示。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com•疲劳寿命：材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，以N表示。•一般情况下，材料的强度极限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长；反之，疲劳寿命愈短。•材料的S-N曲线：表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线，称为材料的S-N曲线。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com图7—4表示典型的S-N曲线。图中曲线有一水平部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限，用σ-1表示。结构钢的S-N曲线都有一水平的渐近线，其纵坐标就是其疲劳极限σ-1。疲劳极限：在一定循环特征下，材料或结构可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com3.材料的疲劳极限的经验公式当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度机械性能来近似计算、表7—l中列出材料的疲劳极限与静强度的关系。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com4.材料的疲劳极限图(疲劳图)在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳极限σr，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。常用的疲劳曲线图有两种、即海夫图和史密斯图，这里重点介绍海夫图。把不同的应力比r下试验得到的疲劳极限，画在一张图上，叫疲劳极限图。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com海夫图:横坐标:平均应力σm;纵坐标:应力幅σa.根据实验得出的疲劳极限数据画出曲线ABC内的任意点表示不产生疲劳破坏的点。在这条曲线以外的点，表示经一定的应力循环数后要产生疲劳破坏的点。图中A点表示对称循环交变应力下产生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值，表示对称循环交变应力的疲劳极限σ-1。B点为静强度破坏点，其横坐标值为强度极限σb。由原点O作为横坐标轴成45°角的线，并与曲线ACB相交于C点，则OD=DC，因σmax=σa+σm，所以有OD=DC=σ0/2，这里σ0为脉动循环交变应力的疲劳极限。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com四、影响疲劳强度的因素影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为四个方面：一是材料本身的化学成分、金相组织及内部缺陷等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；三是工作载荷的特性；四是工作环境及条件等。本节只讨论在常规工作条件下的主要影响因素：零件形状、尺寸、表面状况等对疲劳强度的影响。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com1．应力集中的影响在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角，切口等截面变化。这些外形突然变化和材料不连续地方，常产生很大的局部应力，即称应力集中。在抗疲劳设计中，为计算应力集中的影响，引入了理论应力集中系数α。其定义为：在弹性变形范围内材料的局部应力峰值与名义应力值之比称理论应力集中系数，即：第一节机械疲劳设计www.themegallery.com用理论应力集中系数不能直接判断局部应力使疲劳强度降低多少，因为在不同材料中有不同的表现。常用有效应力集中系数K来表示疲劳强度的真正降低程度。即：σ-1无应力集中试件疲劳极限σ-1k有应力集中试件疲劳极限第一节机械疲劳设计www.themegallery.com2．尺寸效应当其它条件相同时，零件截面尺寸愈大，其疲劳极限也愈低。这是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率高和表面冷作硬化层相对薄等。截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用尺寸系数ε表示，ε定义为直径为d的试件疲劳极限σ-1d与直径为d0＝(6~10)mm试件的疲劳极限σ-1的比值，即:ε=σ-1d/σ-13．表面状态的影响表面强化可提高疲劳强度，而表面粗糙会降低疲劳强度。表面状态对疲劳的影响可用表面状态系数β表示。β=σ-1β/σ-1σ-1β——某种表面状态下的疲劳极限；σ-1——精抛光和未强化试件的疲劳极限。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com五、疲劳设计现行的疲劳设计法主要有以下几种：1．名义应力疲劳设计法以名义应力为基本设计参数，以S—N曲线为主要设计依据的疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法。这种设计方法历史最悠久，也称为常规疲劳设计法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又可分为无限寿命设计法与有限寿命设计法：(1)无限寿命设计法要求零件在无限长的使用期限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限，也就是S—N曲线的水平部分。(2)有限寿命设计法要求零件在一定的使用期限内不破坏，其主要设计依据是S—N曲线的斜线部分。这种设计方法常称为安全寿命设计法。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com2.局部应力应变分析法局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数为应变集中处的局部应变和局部应力。3．损伤容限设计法损伤容限设计法是在断裂力学的基础上发展起来的一种疲劳设计方法。其设计思想以承认材料内有初始缺陷为前提，并把这种初始缺陷看作裂纹，根据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余寿命。这种方法的思路是，零件内具有裂纹是不可避免也并不可怕，只要正确估算其剩余寿命．采取适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够安全使用，则这样的裂纹是允许存在的。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com4.疲劳可靠性设计疲劳可靠性设计是概率统计方法和疲劳设计方法相结合的产物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计方法考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，因此其设计精度比其它疲劳设计方法为高。从原则上来说，上述三种疲劳设计方法都可以应用概率统计的方法进行疲劳可靠性设计，但目前用得最多和最成熟的是无限寿命设计法。第一节机械疲劳设计www.themegallery.com疲劳强度设计一般可分为两个阶段：1)疲劳计算。根据材料的疲劳数据和零件的使用条件，对零件的尺寸进行计算，或在静强度设计的基础上，对零件的疲劳强度进行校核。2)疲劳试验。疲劳计算只能对零件的疲劳强度或寿命进行粗略估算,精确确定零件的疲劳寿命还主要是靠疲劳试验的方法。1．无限寿命设计在使用该种设计方法时，常是先用