内蒙古工业大学机械设计课件第三章

第三章机械零件的强度强度准则是设计机械零件的最基本准则。通用机械零件的强度问题分为静应力强度和变应力强度。绝大多数通用零件都是在变应力下工作的，各式各样的疲劳破坏是通用零件的主要失效形式。本章讨论零件在变应力下的疲劳强度问题。重点学习内容:本章的重点学习内容是材料疲劳的两种类别、高周疲劳和机械零件的疲劳强度计算、疲劳曲线、极限应力线图、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算和机械零件的接触强度。一、载荷的分类1）循环变载荷a)稳定循环变载荷b)不稳定循环变载荷2）随机变载荷静载荷变载荷：载荷：1）名义载荷2）计算载荷§概述机械工作时所受的力或力矩统称为载荷。载荷的大小或方向不随时间变化或变化极缓慢时，称为静载荷；载荷大小或方向不断随时间变化时，称为变载荷。二、应力的分类变应力：非周期性循环变应力周期性循环变应力载荷作用在零件上将产生应力。不随时间而变或随时间缓慢变化的应力称为静应力；不断地随时间而变的应力称为变应力。静载荷和变载荷均可能产生变应力。非周期性变应力周期性变应力O一个循环Ott图中：T为应力变化周期，σa为应力幅，σm为平均应力，σmax最大应力，σmin为最小应力周期性循环变应力σmaxσtσminσaσmOT周期性循环变应力的基本参数和种类a)基本参数应力循环特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅11b)稳定循环变应力种类：-1γ+1——不对称循环变应力γ=+1——静应力γ=–1——对称循环变应力γ=0——脉动循环变应力σmaxσtσminσaσmOT非对称循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力§3-1材料的疲劳特性一、σ-N疲劳曲线1.AB段，N≤103，看作静应力；DCmrNNNNCN常数）(DrrNNN2.BC段，N≤104，叫做低周疲劳；已发生明显的塑性变形。3.CD段代表有限寿命疲劳阶段；4.D点以后的线段代表试件无限寿命疲劳阶段。CD段曲线：r表示应力循环特性D点以后曲线：σr∞称为持久疲劳极限ND有时很大，常规定一个循环次数N0（称为循环基数），用N0和与N0相对应的σrN0(简写σr)为来近似代表ND和σr∞。常数）(0CNNmrmrNNrmrrNKNN0式中：m－材料常数；N0－循环基数；KN－寿命系数；σr－持久疲劳极限。二、等寿命疲劳曲线(极限应力线图)如图所示的疲劳特性曲线可用于表达不同应力比时，疲劳极限的特性。OσaσmσSσ-1P（80，60）Q（40，30）S（120，90）材料的极限应力图的简化S'm'a'mσ'a1'''A方程：方程：CGG001σ2试件受循环弯曲应力时的材料系数A′D′G′COσaσmσSσ-12/0σ0/245°45°§3-2机械零件的疲劳强度计算弯曲疲劳极限的综合影响系数：e11K式中：σ-1－材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1e－零件对称循环弯曲疲劳极限K1e1在不对称循环时，Kσ是试件的与零件的极限应力幅的比值。零件尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素的影响，使零件的疲劳极限小于材料试件的疲劳极限。零件的极限应力线图ADGCOσaσmσSσ-12/0σ-1e=σ-1/Kσ45°45°σ0/2KσA′D′S'me'ae'me'ae1'mee'ae1e1A方程：或方程：CGKKG式中：σae'－零件受循环弯曲应力时的极限应力幅；σme'－零件受循环弯曲应力时的极限平均应力；φσe－零件受循环弯曲应力时的材料常数。001e21KK弯曲疲劳极限的综合影响系数qe11111kK式中：kσ-零件的有效应力集中系数；εσ-零件的尺寸系数；βσ-零件的表面质量系数；βq-零件的强化系数。以上公式当用于剪应力时，把σ换成τ即可。（一）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算典型应力变化规律：1、r=C；2、σm=C；3、σmin=C。（σmax，σmin）→（σm，σa）ADGCOσaσmσS20σ0/2Kσ45°σ-1e=σ-1/KσMNADGCOσaσmσS20σ0/2Kσ45°σ-1e=σ-1/KσMNM1'N1'1、r=C的情况mamax1maam1'me'ae'max)(KKSKOMOMSma1max'maxlimca'SONONSmaSmaxSlimca''11minmaxminmaxmaCrr'me'ae'max'me'ae1Kma'me'aeADGCOσaσmσS20σ0/2Kσ45°σ-1e=σ-1/KσMNM1'N1'mam1'me'memma'me'mema1KKKmamax1-mam1-mma'memma'mema'me'ae'max1KKADGCOσaσmσS20σ0/2Kσ45°σ-1e=σ-1/KσMNM2'N2'H2、σm=C的情况KKKm1me1'max)()1(SKKS)()(amm1max'maxlimcaAGCOσaσmσS45°MNM3'N3'LIJSKKS)2)(()(2minamin1max'maxlimca3、σmin=C的情况mσaσ1max'maxcaKSmσaσadK4、应力的等效转化ad1caS5、较短使用期限时零件的疲劳强度计算NrmrrNKNN0（二）单向不稳定变应力时疲劳强度计算分类：非规律性、规律性不稳定变应力n1n2n3n4nσ4σ3σ2σ1σmaxOσ-1∞1332211NnNnNn当损伤率达到100%时，材料发生疲劳破坏，故极限状况为11ziiiNn2.2~7.01ziiiNn规律性不稳定变应力研究方法：疲劳损伤累积假说（Miner法则）n1n2n3Nσ3σ2σ1NDOσrN1N2N3σ-1∞n1n2n3Nσ3σ2σ1NDOσrN1N2N3mNN1101mNN2102miiNN1011101221110mzimiimzzmmmNnnnnN110ca1mzimiNSSca1ca1101mzimiiNnmzimiiNn101常数）(0CNNmrmrN如果材料在应力作用下没有达到破坏，则：令σca为不稳定变应力的计算应力，则强度条件为：Oe1ae1aDD′BCC′AMM′（三）双向稳定变应力时疲劳强度计算1''2e1a2e1aODODOCOCOMOMS'''cae1ae1ae1ae1a,'',,''ODODOCOCacaae1acae1a''SS，即acaae1acae1a''SS，即12e1aca2e1acaSSτae1Sσae1S12σca2τcaSSSS2τ2στσcaSSSSS(四)提高机械零件疲劳强度的措施1、尽可能降低零件上的应力集中的影响；2、选用疲劳强度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺；3、提高零件的表面质量；4、尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸。§3-4机械零件的接触强度高副接触应力疲劳点蚀赫兹公式222121211111EEBFH载荷曲率半径材料作业P453-1、3-3、3-4疲劳断裂疲劳断裂断口形式其它断裂断口形式其特征为：①疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；②不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；③疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件的表面或表层形成微裂纹，这种裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不以承受外载荷时，零件就突然断裂。疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。