03-机械设计中零件的载荷、应力和变形全解.ppt

工程实践表明，在温度升高或高温时，金属材料将会出现蠕变和松弛现象。在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象称为蠕变。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 图3-15所示的就是蠕变量和时间的关系曲线。在高温条件下工作的某些零件，需要计算有效寿命期间的蠕变量。 图3-15 蠕变曲线 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 例如，高温高压蒸汽管由于蠕变会使管壁不断变薄，直径就不断增大，最后会因强度不足引起管壁破裂。 又如汽轮机叶片，当它在高温和离心力作用下长期工作时，蠕变会使它碰到机壳，发生故障。在工程中，规定工作温度下，蠕变速率达到某一值时的极限应力称为蠕变极限。蠕变计算是以零件的应力不超过材料的蠕变极限应力为准则的。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 在许多有预紧或者过盈量的配合中，当在恒定高温的承载状态下，弹性应变与塑性应变之和为一常量时，随着时间的延迟，弹性变形会逐渐转化为塑性变形，引起应力逐渐降低的现象称为松弛。 应力降低的速率随材料性质、应力大小和温度高低等因素的变化而变化。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 高温工作中的零件或构件由于存在应力松弛，会不同程度地失去弹性和紧固作用。因此，对用于高温条件的紧固体，如弹簧、螺栓等，在机械设计中必须予以重视。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 3.3机械设计中常用的强度计算 机械零件的静强度计算可以根据静应力强度计算公式，计算出实际工作应力，再应用式 就可以判断零件的强度，进行设计计算。 但是，统计结果表明，50％～90％的零件因变应力作用而引起疲劳失效，所以，变应力强度计算及其相关内容分节叙述如下。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 3.3.1疲劳极限与极限应力线图 1．疲劳失效的特点 零件在工作过程中受载，产生低于屈服强度的变应力，经过一定次数的应力循环后突然断裂，断裂时没有明显的宏观塑性变形，这种失效形式称为疲劳失效。 其过程为产生初始裂纹→裂纹扩展→突然断裂。 静应力作用下： 危险剖面塑性变形或断裂 变应力作用下： 疲劳断裂 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 2．材料的疲劳曲线 通过标准零件实验，可以得到材料的应力与疲劳寿命的关系。在任意一个给定循环特性r的条件下，表示应力循环次数N与疲劳极限应力的关系曲线称为疲劳曲线，如图3-8所示。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 2．材料的疲劳曲线 疲劳曲线 图3-8 材料的 疲劳曲线 循环次数 曲线上各点表示在相应的循环次数N下，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 1. 应力越小，试件能经受的循环次数越多 接近N0点直至右区，材料的疲劳极限趋于水平，把这一极限应力称为持久极限，用 表示。 可以认为在持久极限应力下，“无限次”循环试件将不会断裂。 按静强度进行计算 低周循环 高周循环 按照应变疲劳理论解释 通常用表示材料在对称循环变应力下的疲劳极限，表示材料在脉动循环变应力下的疲劳极限。 任意寿命N下的有限疲劳极限为 ： 寿命系数 材料持久疲劳极限 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 可以看出，当有限寿命 时， ，即材料的有限疲劳极限大于持久疲劳极限。 材料持久疲劳极限是采用一组标准试件通过疲劳试验确定的，实际零件由于几何形状的变化、尺寸大小和表面状态等因素的影响，使得零件的疲劳极限小于材料的疲劳极限，为此，引入应力集中系数、尺寸系数和表面状态系数等，以对材料的疲劳极限加以修正。 第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 这些系数可以在相应的手册中查到，部分典型结构的相关系数可以查附表。它们形成应力综合影响