机械零件的疲劳设计与应用.pptx

第三章 机械零件的疲劳设计;3.1 疲劳破坏的过程及断面特征;断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙脆性断裂区组成;疲劳断裂的过程一般由两个阶段构成： 第一个阶段是零件表面上应力较大位置的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源； 第二个阶段为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。 对于实际的零件疲劳过程来说，由于材料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是从第二阶段开始的。;3.2.1 材料的?-N疲劳曲线 1.疲劳极限----在循环特性r一定的变应力作用下,经过N次循环作用材料不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限(?rN或?rN) 2.疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N ;3.疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲 劳极限?rN或?rN与应???循环次数N 之间关系的曲线;;循环基数N0 与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。 对于钢：若硬度?350HB，取N0=106~107； ?350HB，取 N0=10×106~25 × 107 有色金属： N0=25 × 107 。 ;指数m;注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。;3、循环特性r对疲劳曲线的影响;寿命系数： ;3.2.2材料的σa —σm曲线 用材料的标准试件实验,?m-?a曲线表达的是在不同循环特性r的应力作用相同的次数N，材料的疲劳极限应力分布图，在曲线上的每一点都是等寿命的，又称为疲劳极限应力图. ;塑性材料的σa -σm简化曲线;1、应力集中的影响: 应力集中系数 ασ 、ατ ——考虑零件几何形状的理论应力集中系数 q——考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数 ;;;2、尺寸的影响----尺寸越大，材料的晶粒会愈粗、出现缺陷的几率也就会愈大、机械加工后所形成的表面冷作硬化层相对较薄。 尺寸系数：εα，ετ;3、表面状态的影响：表面的质量好坏对疲劳源的形成、应力集中、抗疲劳能力等多方面产生影响 。 ----表面状态系数：βσ， βτ ;零件加工的后处理方法对表面状态的影响也很大，淬火、渗碳、渗氮、抛光、喷丸、滚压都可以提高抗疲劳强度，减少初始裂纹产生和扩展作用 。;4、综合影响系数： 计算时要将零件的工作应力幅乘以综合影响系数。试验表明，应力集中、零件尺寸和表面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑。 ;3.4 机械零件疲劳极限应力图考虑综合影响系数（kσ）D和寿命系数kN;1.所谓机械零件的疲劳极限应力图是在考虑了综合影响系数和寿命系数之后得出的疲劳极限应力图 2.综合影响系数只对极限应力幅有影响,而寿命系数对应力幅和平均应力均有影响 3.工作应力点(?m,?a)必须落在安全区内,当零件受到的应力增长导致发生破坏时，最终发生的破坏形式与应力的增长规律有关 。; 工作应力增长的规律;3.5 机械零件安全系数的计算 疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判断危险截面处的安全程度,准则为: S?[S] 该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材料,结构和尺寸均已确定的条件下进行的 ; 按 =常数进行加载时的疲劳安全系数的计算方法;1.图解法求安全系数 当工作应力处于疲劳安全区时 首先发生疲劳破坏;当工作应力处于塑性安全区时;2.解析法求安全系数;由几何关系化简;按应力幅求安全系数;对于位于塑性安全区，按照 =常数进行加载的机械零件，其安全系数的计算公式为：;3.6 线性疲劳损伤积累假说及其应用;;疲劳损伤积累图;3.6.2线性疲劳损伤积累假说 ----零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件的寿命都受到微量的损伤,当损伤积累到一定的时候将产生疲劳断裂。;3.6.3 非稳定变应力下安全系数的计算方法;假设应力 作用 次对零件的损伤作用等于等效应力 单独作用 次所产生的损伤作用。则有关系式：;规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤----取等效应力σv----求等效循环次数----求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限----按等效应力计算疲劳强度和安全系数----按最大非稳定变应力计算塑性材料屈 服强度安全系数;例3-1 已知