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1、1、主要学习内容：变应力的基本类型和材料的高周疲劳；机械零件的疲劳强度计算；机械零件疲劳强度计算的机构系数；2、学习目标：掌握变应力的基本类型；掌握材料疲劳曲线；掌握单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算；掌握双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算；了解单向不稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算；了解提高机械零件疲劳强度的措施；,第三章 机械零件的疲劳强度计算,3、学习的重点和难点：单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算；双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算；,第六章 机械零件的疲劳强度计算,3.1 机械零件设计的基本准则及一般设计步骤,一、机械零件设计的基本准则失效：机械零件因为某种原因丧失
2、正常工作能力。失效的形式：断裂或塑性变形、超过规定的弹性变形、工作表面的过度磨损和损伤、打滑或过热以及发生强烈振动等。失效的原因：由于强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等不满足工作要求。,计算准则：根据失效原因而制定的判定条件称为计算准则。设计中把计算准则作为防止失效和进行设计计算的依据。,1、强度；2、刚度；3、耐磨性；4、振动稳定性,1、强度：机械零件的强度可以分为体积强度和表面强度两种。,（1）体积强度：零件的体积强度不足，会产生断裂或过大的塑性变形，体积强度就是抵抗这两种失效的能力。设计计算时必须使零件危险截面上的最大应力 不超过材料的许用应力，或使危险截面上的安全系数 不小于零件的许用安
3、全系数。,式中 分别为正应力和切应力的许用安全系数；分别为极限正应力和极限切应力。,极限应力 的选择：1）在静应力下工作并用塑性材料制成的零件，其失效将是塑性变形，应按不发生塑性变形的强度条件计算，故常以材料的屈服点 作为极限应力。2）在静应力下工作并用脆性材料制成的零件，其失效将是断裂，应按不发生断裂的强度条件计算，故常以材料的强度极限 作为极限应力。3）在交变应力下工作的零件，无论使用塑性材料还是用脆性材料制成的零件，其失效均为疲劳断裂，应按不发生疲劳断裂的强度条件计算，故常以材料的疲劳极限作为极限应力。同时应考虑零件尺寸、表面状态及几何形状引起的应力集中对疲劳极限的影响。,（2）表面强度
4、：零件的表面强度不足，会发生表面损失。表面强度可分为表面挤压强度和表面接触强度两种。表面挤压强度是指面接触的两零件，受载后接触面间产生挤压应力，应力分布在接触面不太深的表层，挤压应力过大时，零件表面被压溃。设计计算时应使零件的最大挤压应力不超过材料的许用挤压应力。表面接触强度是指以点或线接触的两零件，受载后由于零件表面的弹性变形，使点或线变为微小的接触面，微小接触面上的局部应力称为接触应力，其最大值用 表示。实际上，大多数回转零件的接触应力是一种变应力，由于接触应力的反复作用，使零件表面的金属呈小片状剥落下来，形成一些小麻坑，这种现象称为疲劳点蚀。零件表面发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损伤了
5、零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。,设计时应按不发生疲劳点蚀为强度条件计算，使零件表面上的最大接触应力 不超过材料的许用接触应力，即：式中：零件表面的最大接触应力；许用接触应力；材料的接触疲劳极限；接触强度的许用安全系数。,2、刚度刚度是零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，产生的弹性变形过大，会影响机器的正常工作（如果机床主轴刚度不足，会影响零件的加工精度）。设计计算时，必须使零件在载荷作用下产生的最大弹性变形量不超过许用变形量：式中：分别为零件的变形量和许用变形量；分别为零件的转角和许用转角；分别为零件的扭角和许用扭角；,3、耐磨性耐磨性是在载荷作用
6、下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。零件过度磨损会使形状尺寸改变，配合间隙增大，精度降低，产生冲击振动，从而失效。设计时应使零件在预期使用寿命内的磨损量不超过允许范围。一般通过限制工作面的单位压力和相对滑动速度；选择合适的材料组合及热处理方法；良好地润滑以及提高表面硬度和表面质量等均能提高耐磨性。对于传动效率低、发热量大的运动副（如蜗杆传动副），如果散热不良，将使零件温升过高，致使两零件局部熔融引起胶合，因此还应进行散热计算，使其正常工作时的温度不超过允许限度。,4、振动稳定性如果机器中某一零件的固有频率f和周期性强迫振动频率fp相等或成整数倍时，零件振幅就会急剧增大而产生共振，使零件工作性
7、能失常，还可能引起破坏。所谓振动稳定性，就是设计时避免使零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍。强度、刚度、耐磨性及振动稳定性是衡量机械零件工作能力的准则，设计计算时并不是每一种零件均需按这些准则逐项计算，而是根据零件的实际工作条件，分析出主要失效形式，按其相应的计算准则进行设计计算；确定出主要参数后，必要时再按其他准则校核,机械设计中的机械零件强度计算是最基本的设计计算，强度可以分为静应力强度和变应力强度。静应力强度计算常用于应力变化次数小于103次，而峰值较大。变应力强度计算即为疲劳强度计算。应力变化次数大于103次。,3.1 变应力的基本类型和材料的高周疲劳,载荷谱（应力谱）：作用在
8、机械零件上的变载荷或变应力随时间变化的图形。其应力类型可以分为稳定循环变应力、非稳定循环变应力和随机变应力。稳定循环变应力：分为非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力等三类。,一、变应力的分类,a）随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力。,变应力,循环变应力（周期）,稳定,不稳定循环变应力,简单,复合扭、弯结合,对 称,脉 动,非对称,随机变应力（非周期）,b）若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图b所示，则称为不稳定循环变应力。,c）如果幅度变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图c所示。,二、变应力参数 图2给出了一般情况下稳定循环
9、变应力谱的应力变化规律。,零件受周期性的应力作用：它们之间的关系为：最小应力min；最大应力max；应力幅为a；平均应力为m；应力循环特性r；,规定：1、a总为正值；2、a的符号要与m的符号保持一致。其中：max变应力最大值；min变应力最小值；m平均应力；a应力幅；r循环特性，-1 r+1。由此可以看出，一种变应力的状况，一般地可由max、min、m、a及r五个参数中的任意两个来确定。,a 参数不随时间变化的循环应力称为稳定循环应力；b 参数随时间变化的循环应力称为不稳定循环应力；,c 稳定循环应力中，当r=-1时，表明，这种应力称为对称循环应力。d 当 时，表明；称为非对称循环应力。e 当
10、r=0时，表明，这种应力称为脉动循环应力；f 当r=+1时，表明，即为静应力。,例1 已知：max=200N/mm2，r=0.5，求：min、a、m。解：,应力谱、载荷谱,例2 已知：a=80N/mm2，m=40N/mm2 求：max、min、r、绘图。解：,例3 已知：A截面产生max=400N/mm2，min=100N/mm2 求：a、m，r。,解：,二、材料疲劳的两种类别根据作用在机械零件上的变应力循环次数的不同，把材料的疲劳分为两类：当变应力循环次数大约在104左右时，材料的疲劳现象称为低周疲劳，亦称应变疲劳。例如：飞机起落架、炮筒、导弹壳体等。大部分通用零件和专用零件在工作时所承受的
11、变应力循环次数大于104，此时材料的疲劳称为高周疲劳。本章只讨论高周疲劳问题。,疲劳断裂的特征疲劳断裂是材料在变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂有几个特征：1）疲劳断裂可分为两个阶段，即首先在零件表面应力较大处产生初始裂纹，而后裂纹尖端在切应力作用下，反复发生塑性变形，使裂纹扩展到一定程度后，发生突然断裂。2）疲劳断裂的断面明显分成两个区，即表面光滑的疲劳发展区和表面粗糙的脆性断裂区。3）不论塑性材料还是脆性材料制成的零件，疲劳断裂均为脆性突然断裂。4）疲劳极限比同材料的屈服点低，疲劳极限的大小和应力循环次数及循环特性有关
12、。,三、材料疲劳曲线（对称循环变应力的N曲线）疲劳曲线的定义：表示应力循环次数N与疲劳极限的关系曲线。循环特性为r的变应力，经过N次循环后，材料不发生疲劳破坏的应力最大值称为 疲劳极限应力。用 表示。循环次数N和疲劳极限 的关系曲线称为疲劳曲线（曲线）。,曲线上各点表示在相应的循环次数下，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。从图上可以看出，应力愈高，则产生疲劳失效的循环次数愈少。在作材料试验时，常取一规定的应力循环次数N0，称为循环基数，把相应于这一循环次数的疲劳极限，称为材料的持久疲劳极限，记为1（或r）。,疲劳曲线可分成两个区域：有限寿命区和无限寿命区。所谓“无限”寿命，是指零件承
13、受的变应力水平低于或等于材料的疲劳极限1，工作应力总循环次数可大于N0，零件将永远不会产生破坏。在有限寿命区的疲劳曲线上，NN0所对应的各点的应力值，为有限寿命条件下的疲劳极限。对低碳钢而言，循环基数N0=106107；对合金钢及有色金属，循环基数N0=108或（5108）；变应力与在此应力作用下断裂时的循环次数N之间有以下关系式：,此式称为疲劳曲线方程，其中：r 对应于N0时的rN，称为材料疲劳极限；N 与s1N对应的循环次数m 与材料有关的指数；C 实验常数；(m、c根据实验数据通过数理统计得到)。,如果已知N0和r，则有限寿命区范围内任意循环次数N时的疲劳极限rN可表示为式中，KN为寿命
14、系数。当 时，取，则寿命系数KN=1。,M值代表双对数坐标系中有限寿命疲劳曲线AB段的斜率，是由决定并与材料及应力的种类有关的值。钢材：拉应力、弯曲应力和切应力情况下，m=9；接触应力情况下，m=6；青铜：弯曲应力情况下，m=9；接触应力情况下，m=8；,6.2 机械零件的疲劳强度计算一、极限应力线图,极限应力图可以表示出材料在不同循环特性下的疲劳极限。AB线上任一点都代表一定循环特性下的疲劳极限。CD上任一点代表 变应力情况。,零件材料的极限应力线图即为折线ADC。材料的工作应力如果处于OADC区域内，则表示不发生破坏；如果在此区域之外，则会发生破坏；如果正好处于折线ADC上，则表明工作应力
15、达到极限状态。,零件的形状、尺寸、结构、加工质量及热处理等的影响，造成零件的疲劳极限要小于材料的疲劳极限。以弯曲疲劳极限的综合影响系数，表示材料的对称循环弯曲疲劳极限 与零件的对称循环疲劳极限 的比值。,在不对称循环状态下，作为材料的极限应力幅和零件的极限应力幅的比值，可以直接将材料极限应力图中的直线ABD按比例下移，如ABD。CD线仍按静应力要求不变。则AD方程为,CD的方程为,为材料受循环弯曲应力时的材料特性，其值由实验确定，,五、（非对称循环变应力的）极限应力图 以上所讨论的sN曲线，是指对称应力时的失效规律。对于非对称的变应力，必须考虑循环特性r对疲劳失效的影响。在作材料试验时，通常是
16、求出对称循环及脉动循环的疲劳极限s1及s0，把这两个极限应力标在 ma坐标上（图3）。,由于对称循环变应力的平均应力sm=0，最大应力等于应力幅，所以对称循环疲劳极限在图中以纵坐标轴上的A点来表示。由于脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为sm=sa=s0/2，所以脉动循环疲劳极限以由原点0所作45射线上的D点来表示。,连接A、D得直线AD。由于这条直线与不同循环特性时进行试验所求得的疲劳极限应力曲线非常接近，所以直线AD上任何一点都代表了一定循环特性时的疲劳极限。横轴上任何一点都代表应力幅等于零的应力，即静应力。取C点的坐标值等于材料的屈服极限ss，并自C点作一直线与直线C0成45夹角，交AD
17、延长线于G，则CG上任何一点均代表 的变应力状况。,于是，零件材料（试件）的极限应力曲线即为折线AGC。材料中发生的应力如处于OAGC区域以内，则表示不发生破坏；直线AG的方程，由已知两点坐标A（0，s1）及D（s0/2，s0/2）求得为（疲劳区）,六、影响疲劳强度的因素1、应力集中的影响定义：几何形状突然变化产生的应力。零件上的应力集中源如键槽、过渡圆角、小孔等以及刀口划痕存在，使疲劳强度降低。计算时用应力集中系数k（见表）。,2、尺寸与形状的影响 尺寸效应对疲劳强度的影响，用尺寸系数来考虑。尺寸与形状系数，见表；,3、表面质量的影响 表面粗糙度越低，应力集中越小，疲劳强度也越高。表面质量系
18、数，见表 以上三个系数都是对极限应力有所削弱的。4、表面强化的影响 可以大幅度地提高零件的疲劳强度，延长零件的疲劳寿命。计算时用强化系数q考虑其影响。q强化系数，可以加大极限应力，见表。由于零件的几何形状的变化，尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳强度极限要小于材料试件的疲劳极限。我们用疲劳强度的综合影响系数K来考虑其影响。,七、不稳定变应力的强度计算1应力谱,图9为一不稳定变应力的示意图。变应力1（对称循环变应力的最大应力，或不对称循环变应力的等效对称循环变应力的应力幅）作用了n1次，2作用了n2次，等等。2、疲劳损伤累积假说曼耐尔（Miners rule法则）a）金属材料在
19、一定变应力作用下都有一定寿命；b）每增加一次过载的应力（超过材料的持久疲劳极限），就对材料造成一定的损伤，当这些损伤的逐渐积累其总和达到其寿命相当的寿命时，材料即造成破坏；c）小于持久疲劳极限，不会对材料造成损伤；d）变应力大小作用的次序对损伤没有多大影响。,把图9中所示的应力图放在材料的N坐标上，如图10所示。根据N曲线，可以找出仅有1作用时使材料发生疲劳破坏的应力循环次数N1。假使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。如此类推，循环n2次的2对材料的损伤率为n2/N2，。,因为当损伤率达到10
20、0%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,是极限状态,一般地写成：,上式是疲劳损伤线性累积假说的数学表达式。自从此假说提出后，曾作了大量的试验研究，以验证此假说的正确性。试验表明，当各个作用的应力幅无巨大的差别时，这个规律是正确的。,当各级应力是先作用最大的，然后依次降低时，上式中的等号右边将不等于1，而小于1（起断裂作用）;当各级应力是先作用最小的，然后依次升高时，则式中等号右边要大于1（起强化作用）。通过大量的试验，可以有以下的关系：,说明Miner法则有一定的局限性。,3疲劳强度计算 不稳定应力，寻找相当应力，稳定应力。,其中，ks为应力折算系数；1为任选，一般取最大工作应力或循
21、环次数最多的应力作为计算的基本应力。引入ks后，则安全系数计算值Sca及强度条件则为：,例题：45号钢经过调质后的性能为：-1=307Mpa，m=9，N0=5106。现以此材料作试件进行试验，以对称循环变应力1=500Mpa作用104次，2=400Mpa作用105次，试计算该试件在此条件下的安全系数计算值。若以后再以3=350Mpa作用于试件，还能再循环多少次才会使试件破坏？解：根据式：,试件的安全系数计算值为：,又：,若要使试件破坏，则：,即该试件在3=350Mpa的对称循环变应力的作用下，估计尚可再承受0.97106次应力循环。,八、复合应力状态下的强度计算（弯曲、扭转联合作用）对于试件在
22、弯曲扭转联合作用的交变应力下进行疲劳试验时，其数据基本上符合图11中椭圆弧的规律。其疲劳破坏条件可近似地直接用椭圆方程表示：,对于钢材，经过试验得出的极限应力关系式为：,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。圆弧AmB上任何一个点即代表一对极限应力a及a。如果作用于零件上的应力幅a及a在坐标上用n表示，引直线on与AB交于m点，则安全系数计算值S为：,将式（1）变形为：,则：,其中，S只有正应力作用下的安全系数计算值；S只有剪应力作用下的安全系数计算值；S复合应力作用下的安全系数计算值；,亦即,解决了简单和复合的问题。,47,五、提高机械零件疲劳强度的措施1、减少应力集中；结构设计2、采用能提高材料疲劳强度的热处理及强化工艺3、提高零件表面加工质量，降低表面粗糙度，提高光洁度，减少表面腐蚀。4、减少和消除表面初始裂纹；,1、在解决变应力下零件的强度问题叫疲劳强度。零件里通常作用的都是变应力，所以其应用更为广泛。2、疲劳强度和哪些因素有关=f（N，r，K，材料，形式）疲劳强度比静强度复杂得多。3三大理论一假说：疲劳曲线解决对称循环变应力的强度计算问题；极限应力图对称非对称的关系；复合极限应力图复合和简单应力的关系；Miner法则稳定和非稳定应力的关系；,总 结,
