第3章机械零件的疲劳强度

1第3章机械零件的疲劳强度㈠基本内容：1.疲劳断裂特征；2.疲劳曲线和疲劳极限应力图；3.影响机械零件疲劳强度的主要因素；4.许用疲劳极限应力图；5.机械零件的疲劳强度；6.稳定变应力时安全系数的计算；7.规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度；㈡重点与难点：1重点：疲劳曲线和疲劳极限应力图；许用疲劳极限应力图；影响机械零件疲劳强度的主要因素；机械零件的疲劳强度；稳定变应力时安全系数的计算.2难点：绘制简化的零件疲劳极限应力图；根据许用疲劳极限应力图预测零件的失效；用图解法和解析法计算零件安全系数.㈢基本要求：1熟记疲劳曲线和疲劳极限应力图；2掌握材料的疲劳极限应力图与零件的许用疲劳极限应力图的区别；3掌握机械零件的疲劳强度的概念；4掌握零件的工作安全系数的计算方法.3.1疲劳断裂特征在变应力下工作的零件，疲劳断裂是主要的失效形式之一。表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个阶段：2第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。实际上，材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、酸洗等都有可能产生初始裂纹。因此一般说零件的疲劳过程是从第二阶段开始的，应力集中促使表面裂纹产生和发展。疲劳断裂截面是由表面光滑的疲劳发展区和粗糙的脆性断裂区组成。零件在变应力下反复变形，裂纹周期地压紧和分开，使疲劳发展区呈光滑状态，在电子显微镜下放大观察，有以疲劳源为中心，间隔为0．1m一1m的同心疲劳纹。每一疲劳纹表示每次应力循环使裂纹延伸的结果。人眼所见到的同心弧状前沿线是由于机器开停或载荷不稳定使裂纹前进不均衡所造成的。当载荷稳定时，前沿线可能很轻微甚至没有。此外，还可以看到自疲劳源向外辐射的条纹，称垄沟纹，粗糙的脆性断裂区是由于剩余截面静应力强度不足造成的。截面大小与所受载荷有关。3．2疲劳曲线和疲劳极限应力图3.2.1疲劳曲线在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限。表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线，称为疲劳曲线。若坐标系取为双对数坐标，则疲劳曲线为一折线。3.2．2疲劳极限应力图3材料在相同循环次数和不同循环特性下有不同的疲劳极限，可用疲劳极限应力图表示。根据试验数据，用坐标表示的塑性材料的疲劳极限应力图近似呈抛物线分布，低塑性和脆性材料的疲劳极限应力图呈直线形状。3．3影响机械零件疲劳强度的主要因素影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序等。其中，以前三种最为重要。3．3，1应力集中的影响零件受载时，在几何形状突然变化处(如圆角、孔、凹槽等)要产生应力集中，对应力集中的敏感还与零件材料有关，常用有效应力集中系数来考虑应力集中对疲劳强度的影响。3．3．2尺寸的影响零件尺寸的大小对疲劳强度的影响可以用尺寸系数来表示。尺寸越大，不良影响越显著。3.3.3表面状态的影响零件表面加工质量对疲劳强度的影响可以用表面状态系数来表示。3．3．4综合影响系数试验证明：应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力幅有影响，对平均应力没有明显影响。为此，可将这三个系数合并为一综合影响系数在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数，或材料的极限应力幅要除以综合影响系数。3.4许用疲劳极限应力图3，4．1稳定变应力和非稳定变应力在每次循环中，平均应力应力幅和周期T都不随时间变化的变应力称为稳定变应力，若其中之一随时间变化的则称为非稳定变应力。非稳定变应力通常是由于载荷和(或)工作转速变化所造成，作周期性规律变化的称为规律性非稳定变4应力，随机变化的称为随机性非稳定变应力。随机性非稳定变应力可采用统计概率分布方法转换成规律性非稳定变应力；规律性非稳定变应力又可以通过“疲劳损伤积累假说（Miner定理）”转换成等效的稳定变应力。因此，疲劳强度计算方法是以稳定变应力时的为基础。3，4．2许用疲劳极限应力图综合影响系数只对极限应力幅有影响，而寿命系数对极限平均应力和极限应力幅均有影响，考虑这二者之后，可由材料试件的疲劳极限应力图得到零件的许用疲劳极限应力图。正如前面所述，后面两种变应力可以采用特定的手段转化为稳定变应力，所以，此处以介绍稳定变应力下的零件疲劳强度安全系数计算为主。疲劳强度校核计算的条件式为：S≥[S]。此种计算一般在零件材料、结构、尺寸、工艺初步确定之后进行。许用极限应力取“基拉索希维里КИНАСОШВИПИ”简化直线。此直线可由材料的疲劳极限应力图下移而得到。即直线由A（0，）B（）移至A′（0，）B′（）；屈服极限应力线则不变。E点自然移到E′点，无须知道其坐标值。由A′B′SOA′围成的区域称为零件的“工作安全区”。零件要在规定的工作期限内不发生失效，其危险剖面上的应力点C应该处于该区内。工作安全区可分5为“疲劳安全区”和“塑性安全区”。应力点C处于疲劳安全区时，随着工作应力的增长将可能发生疲劳破坏；而应力点C处于塑性安全区时，随着工作应力的增长零件将可能发生过量的塑性变形。零件的许用极限应力大小与零件工作应力的增长规律有关。其几何意义为，工作应力的增长规律不同，过O、C两点所作的直线延长线与极限应力线相交点C′的位置不同，故许用极限应力不同。应力增长规律有以下三种情况：（简单加载的转轴弯曲应力）（复杂加载下的车辆减振弹簧）（复杂加载下的发动机汽缸盖连接螺栓）这三种情况对应的“疲劳安全区”和“塑性安全区”的划分情况可参见下图。一般地，在零件的应力增长规律未知的情况下，优先采用的方法。现在,介绍利用许用疲劳极限应力线图进行稳定变应力下应力增长规律的疲劳安全系数计算方法，分为“图解法”和“解析法”。图解法：第一步，作零件的许用极限应力图；第二步，在坐标系中标出零件的工作应力点；第三步，按应力增长规律作经过工作应力点C的直线交零件的许用极限应力线得C′点；6第四步，零件的计算安全系数等于C′的纵、横坐标绝对值之和除以C点的纵、横坐标绝对值之和。解析法：牢记以下计算公式进行求解：或（塑材疲劳安全系数）；或（塑性安全系数）单向应力状态或；（脆性、低塑性材料疲劳安全系数）（脆性材料、低塑性材料的疲劳安全系数）（塑性材料的疲劳安全系数）复杂应力状态（塑性安全系数）