1、第二章機械零件的疲勞強度設計2隨機變應力隨機變應力靜應力靜應力規律性不穩定變應力規律性不穩定變應力1. 變應力變應力隨機變應力隨機變應力循環變應力循環變應力一個循環OOtt 穩定循環變應力穩定循環變應力規律性不穩定變應力規律性不穩定變應力對稱循環對稱循環脈動循環脈動循環非對稱循環非對稱循環32、穩定循環變應力的基本參數和種類、穩定循環變應力的基本參數和種類 1) 基本參數基本參數 應力循環特性應力循環特性ammaxammin2maxmm2maxmamaxmin最大應力最大應力最小應力最小應力平均應力平均應力應應 力力 幅幅112) 穩定循環變應力種類穩定循環變應力種類 -1 +1非對稱非對稱

2、=+1 靜應力靜應力 = 1 對稱對稱 = 0 脈動脈動4 1.1.疲勞破壞特征：疲勞破壞特征： 1 1）斷裂過程：產生初始裂紋）斷裂過程：產生初始裂紋 （應力較大處）裂（應力較大處）裂紋反復擴展，直至產生疲勞裂紋。紋反復擴展，直至產生疲勞裂紋。 2 2）斷裂面：光滑區（疲勞發展區）粗糙區（脆）斷裂面：光滑區（疲勞發展區）粗糙區（脆性斷裂區）性斷裂區） 3 3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂 4 4）破壞時應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限）破壞時應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限2.2.疲勞破壞的機理：損傷的累積疲勞破壞的機理：損傷的累積3.3.影響因素：材料

3、性能，變應力的循環特性，應力循影響因素：材料性能，變應力的循環特性，應力循環次數，應力幅都對疲勞極限有很大影響。環次數，應力幅都對疲勞極限有很大影響。5疲勞極限疲勞極限： 循環變應力下應力循環循環變應力下應力循環N N次后材料不發生疲勞破壞次后材料不發生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限時的最大應力稱為材料的疲勞極限。)(NN疲勞壽命疲勞壽命： 材料疲勞失效前所經歷的應力循環次數材料疲勞失效前所經歷的應力循環次數 N 應力循環特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環應力循環特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環次數之間關系的曲線。次數之間關系的曲線。6NN 持久極限ONN0NN有限壽命區N無限壽

4、命區1 1）無限壽命區）無限壽命區0NN N循環基數循環基數 持久極限持久極限對稱循環對稱循環：脈動循環：脈動循環：001172 2）有限壽命區）有限壽命區 當當N103(104)高周循環疲勞高周循環疲勞043)10(10NN 隨循環次數隨循環次數疲勞極限疲勞極限3 3）疲勞曲線方程）疲勞曲線方程CNNmmN08NmNKNN0疲勞極限疲勞極限幾點說明：幾點說明： 2 2）硬度）硬度350HBS350HBS鋼，鋼，No=10No=106 610107 7；350HBS350HBS鋼，鋼，No No =10 x10=10 x107 7 25x1025x107 7；有色金屬；有色金屬( (無水平部分

5、無水平部分) No=25x10) No=25x107 7 。3 3）m m指數與應力與材料的種類有關。指數與應力與材料的種類有關。鋼鋼拉壓、彎曲應力、扭剪應力拉壓、彎曲應力、扭剪應力 m=9m=9；接觸應力；接觸應力m=6m=6。青銅青銅彎曲應力彎曲應力 m=9 m=9 ；接觸應力；接觸應力m=8m=8。1 1）K KN N壽命系數，壽命系數，NNoNNo時，取時，取N=No N=No 。9am-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450r :-1+1A :對稱循環對稱循環極限應力點極限應力點B :脈動循環脈動循環極限應力點極限應力點C :靜強度極靜強度極限應力點限應力

6、點10高塑鋼高塑鋼AD疲勞強度線；疲勞強度線；GD 屈服強度線。屈服強度線。不允許塑性變形不允許塑性變形-10/20/2sb0 G Cma A E B(rm ,ra)450 D11高塑鋼高塑鋼AD線方程：線方程：1raarm1002tan 低塑鋼或鑄鐵低塑鋼或鑄鐵AC線方程：線方程：11rarmb12一、應力集中的影響一、應力集中的影響)(kk零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔、零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔、螺紋、過盈配合等）要產生應力集中。螺紋、過盈配合等）要產生應力集中。對應力集中的敏感程度與零件的材料有關，一般材對應力集中的敏感程度與零件的材料有關，一般材料強度

7、越高，硬度越高，對應力集中越敏感。料強度越高，硬度越高，對應力集中越敏感。 11K11Kkk疲勞缺口系數疲勞缺口系數 13二、零件尺寸的影響二、零件尺寸的影響尺寸系數尺寸系數 零件尺寸逾大時，材料的晶粒較粗；零件尺寸逾大時，材料的晶粒較粗；冷、熱加工中出現缺陷的概率大；冷、熱加工中出現缺陷的概率大；機械加工后表面冷作硬化層相對較薄，對零件疲機械加工后表面冷作硬化層相對較薄，對零件疲勞強度的不良影響愈顯著。勞強度的不良影響愈顯著。 111114三、表面狀態的影響三、表面狀態的影響 表面狀態系數表面狀態系數11表面質量表面質量指表面粗糙度、表面強化及工作環境。指表面粗糙度、表面強化及工作環境。強化

8、處理強化處理淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等冷作工藝。噴丸、滾壓等冷作工藝。15四、綜合影響系數四、綜合影響系數 綜合影響系數表示了材料極限應力幅與零件綜合影響系數表示了材料極限應力幅與零件極限應力幅的比值。極限應力幅的比值。DDKkKk1-1K11DKDKK零件的疲勞極限零件的疲勞極限16一、受單向應力時零件的安全系數一、受單向應力時零件的安全系數ABDD1GB1A1P1ams0/200/2KD-1/KD-1am零件的零件的1DamK 只受單向拉壓、只受單向拉壓、彎曲、扭轉等彎曲、扭轉等零件極限應力圖零件極限應力圖A1B1D1G疲勞強度線疲勞強度線

9、A1D1屈服強度線屈服強度線GD1直線直線A1D1的方程：的方程：17D1GA1N1amsm0a-1/KD/maC規律下疲勞強度分析圖規律下疲勞強度分析圖(, )maNKMM1H確定零件危險截面確定零件危險截面上的工作應力點上的工作應力點N。在極限應力線上確在極限應力線上確定極限應力點定極限應力點N1。應力增長規律：應力增長規律：/maC（1）難以確定零件工作難以確定零件工作應力增長規律時。應力增長規律時。極限應力點為極限應力點為N1。OA1D1為疲勞強度區為疲勞強度區OD1G 為屈服強度區為屈服強度區大多數轉軸中的應力狀態大多數轉軸中的應力狀態 18D1GA1N1amsm0a-1/KD(,

10、)maNKMM1Ha) 工作應力點位于工作應力點位于OA1D1內內按疲勞強度計算按疲勞強度計算/mama1DamK 零件的疲勞極限為零件的疲勞極限為1lim()maeamDamk 強度條件為強度條件為 lim1maxmaeDamssk ass19b)工作應力點位于工作應力點位于OD1G 內內極限應力為屈服極限極限應力為屈服極限按靜強度計算按靜強度計算limmaxesmassD1GA1N1amsm0a-1/KD(, )maNKMM1H不易判斷工作應力點落在哪個區，則按兩式同時核算不易判斷工作應力點落在哪個區，則按兩式同時核算兩種安全系數。兩種安全系數。20mC（2）振動中的受載彈簧的應力狀態振動

11、中的受載彈簧的應力狀態D1GA1N1amsm0-1/KD(, )maNM1(,)mamFEPMOA1D1E為疲勞強度區為疲勞強度區ED1G 為屈服強度區為屈服強度區a) 工作應力點位于工作應力點位于OA1D1E內內mm1DamK 強度條件：強度條件： malimmaxmama1mma()()eDDsksk1aaamaDassK 按兩式同時驗算按兩式同時驗算limmaxesmass21注意：注意：1 1）若零件所受應力變化規律不能肯定，一般采用）若零件所受應力變化規律不能肯定，一般采用=C=C的情況計算。的情況計算。2 2）上述計算均為按無限壽命進行零件設計，若按有限）上述計算均為按無限壽命進行零件設計，若按有限壽命要求設計零件時，即應力循環次數壽命要求設計零件時，即應力循環次數10103 3(10(104 4)NNo)NNo時，這時上述公式中的極限應力應為時，這時上述公式中的極限應力應為有限壽命的疲勞極限有限壽命的疲勞極限 ，即應以即應以-1N-1N 代代-1-1 ，以，以oNoN代代o o 3 3）當未知工作應力點所在區域時，應同時考慮可能）當未知工作應力點所在區域時，應同時考慮可能出現的兩種情況出現的兩種情況. .4 4）對切應力上述公式同樣適用，只需將）對切應力上述公式同樣適用，只需將改為改為即可。即可。22二、受復合應力時的