《第三章强度理论课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章强度理论课件.ppt（36页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 3-1 材料的疲劳特性,1.载荷,由于机器在运转过程中，会产生惯性力或冲击、震动等，这将引起载荷发生变化，因此，,静载荷,变载荷,载荷按大小和方向是否随时间变化分为：,在机械零件的设计计算中，又将载荷分为：,名义载荷：,计算载荷：,不随时间变化或变化缓慢的载荷,随时间作周期性或非周期性变化的载荷,重力,曲轴，支承车身的弹簧,根据额定功率，用力学公式计算出的载荷,载荷系数K名义载荷（作为零件设计时的载荷）,载荷和应力2,应力分为,静应力,变应力,2.应力,只在静载荷作用下产生,失效形式：断裂破坏或塑性变形,既可由变载荷产生，也可由静载荷产生。,失效形式：疲劳破坏,载荷和应力3,对称循环变应力,
2、脉动循环变应力,变应力有：,对称循环变应力,脉动循环变应力,非对称循环变应力,非对称循环变应力,载荷和应力2,sm平均应力；sa应力幅值,r 应力比（应力循环特性）,非对称循环变应力,smax最大应力；smin最小应力,1 r+1,载荷和应力3,对称循环变应力,脉动循环变应力,r=-1、m0maxa,r=0、min0m=a,概述3,规律性变幅循环应力：,随机循环应力,2-1 概 述,3-1 材料的疲劳特性,3.疲劳破坏,机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现裂纹。之后，裂纹又
3、逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为“疲劳破坏”。,“疲劳破坏”。是循环应力作用下零件的主要失效形式。,疲劳破坏的特点,2-2 疲劳曲线和极限应力图,5.疲劳寿命N：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。,一、疲劳曲线（N 曲线）,是在应力比 一定时，表示疲劳极限 与循环次数 N 之间关系的曲线。,不同或 N 不同时，疲劳极限 则不同。在疲劳强度计算中，取。,4.材料的疲劳极限：在应力比为 r 的循环应力作用下，应力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力max。,3-1 材料的疲劳特性,疲劳曲线,3-1 材料的疲劳特性,典型的疲劳曲线如右图所示：,可以看出：随 N 的
4、增大而减小。但是当 N 超过某一循环次数 N0 时，曲线 趋于水平。即 不再随 N的增大而减小。,N0-循环基数,以 N0 为界，曲线分为两个区：,C,A,疲劳曲线,N0-循环基数,C,A,1）无限寿命区：当 N N0 时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用 表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。,持久疲劳极限,当材料受到的 时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。寿命是无限的。,3-1 材料的疲劳特性,疲劳曲线,C,A,条件疲劳极限,当材料受到的 时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。寿命是有限的。,2）有限寿命区：非水平段（NN0）的疲劳极限称为
5、条件疲劳极限。,1）无限寿命设计：N N0 取,2）有限寿命设计：N N0 取,3-1 材料的疲劳特性,疲劳曲线,C,A,3-1 材料的疲劳特性,设计中常用的是疲劳曲线上的 CD 段，其方程为：,常数,D点的坐标满足CD的方程，即,式中,寿命系数；,m材料常数，其值见教材 P23。,循环基数，其值与零件材质有关，见教材 P23。,疲劳曲线3,疲劳曲线和极限应力图,注：1）计算 时，如 N，则取 N。,2）工程中常用的是对称循环应力（=-1）下的疲劳极限，计 算时，只须把 和 换成 和 即可。,3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的 换成 即可。,4）当N（）时，因 N 较小，可按静强度计算。
6、,(二)等寿命疲劳曲线,N0一定,与r的曲线,已知材料的极限应力-1、0、s,(二)等寿命疲劳曲线,A,D,G,B,C,对称循环：m=0,脉动循环：m=a=0/2,可绘制材料的极限应力线图,静应力：a=0,A,D,G,B,C,直线A G 的方程,A G 上任意点的坐标,直线A G 的方程:,-1=a+m（34）,式中：,（3-6）,碳钢：0.10 0.2；合金钢：0.20.3,直线CG 的方程为：,a+m=S（35）,试件受循环弯曲应力时的材料常数。（用于将平均应力等效地折算成应力幅的折算系数）a 试件受循环弯曲应力时的极限应力幅m 试件受循环弯曲应力时的极限平均应力,3-2 机械零件的疲劳强
7、度计算,前边提到的各疲劳极限，实际上是材料的力学性能指标，是用试件通过试验测出的。,而实际中的各机械零件与标准试件，在结构、尺寸、表面质量等方面往往是有差异的。因此零件的疲劳强度与试件的疲劳强度有所不同。需对试件的疲劳曲线进行修正，才能得到零件的疲劳曲线,影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：,一、应力集中的影响,机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。,有效应力集中系数k,影响疲劳强度的主要因素2,影响零件疲劳强度的主要因素,二、绝对尺寸的影响,零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。
8、,尺寸系数,三、表面质量的影响,表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。,表面质量系数,影响零件疲劳强度的主要因素,综合影响系数 K,试验证明：应力集中、绝对尺寸和表面质量都只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对静应力没有影响）,在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数组成一个综合影响系数。,综合影响系数：,3-2 机械零件的疲劳强度计算,A,D,G,C,注：由于GC段属于静强度，不受K 的影响，故不需修正。,0,3-2 机械零件的疲劳强度计算,A,D,G,C
9、,(me,ae),AG上任一点的坐标,AG直线方程：,受恒幅循环应力时2,计算零件的疲劳强度时，首先求出零件危险剖面上的max和min，在极限应力图中标出工作应力点M(m,a)。在零件的极限应力线AGC上，确定出相应的极限应力点，计算零件的安全系数。,零件工作应力的增长规律不同，则相应的极限应力点也不同。,典型的应力增长规律通常有三种：,3-2 机械零件的疲劳强度计算,（一）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,o,A,D,G,C,M1,1.r=常数,连接OM,并延长,交AG线于M1,则OM线上任意点的r都相等,（绝大多数转轴的应力状态）,OM方程:,AG方程:,S(3-17),max=ae
10、+me,如极限应力点落在 GC上，则需计算静强度,S(3-18),o,A,D,G,C,M2,2.m=常数,H,(振动着的受载弹簧),MM2方程:,AG方程:,O,A,G,C,M3,J,I,L,3.min=常数,注：对于有限寿命设计问题，须将各式中的 和 换成 N 次 循环下的条件疲劳极限 和。,2-5受变幅循环应力时,（三）受变幅循环应力时零件的疲劳强度,本节只介绍规律性变幅循环应力下的疲劳强度计算方法。,一、Miner 法则疲劳损伤线性累积假说,由最大应力分别为、的三个恒幅循环应力构成的规律性变幅循环应力，如右图所示。,寿命损伤率,规律性不稳定变应力,三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,若
11、应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。,而低于-1的应力，可以认为不构成破坏作用,三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,受变幅循环应力时2,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独 立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率之和等于1时，则会发生疲劳破坏。,即：,上式即为Miner法则的数学表达式，亦即疲劳损伤线性累积假说。,注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。,二、疲劳强度设计,损伤等效,受变幅循环应力时3,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,用 表示等效应力 的疲劳寿命。,损伤等效即为：的寿命损伤率各应力的寿命损伤率之和。,即：,（只介绍这种方法）,（可看作是等效方程）,受变幅循环应力时,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,等效循环次数法,这种方法是首先人为选定，之后，将选定的 代入上式计算出。则,将上式求出的 代入疲劳曲线方程即可求出 下的条件疲劳极限,则可进一步计算零件的安全系数。（见教材的式（229）和式（230）,o,A,D,G,C,M2,
