第3章疲劳强度1

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1、 第第3 3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度 强度准则是设计机械零件的最基本准则。强度准则是设计机械零件的最基本准则。强度问题分为静应力强度和变应力强度。绝强度问题分为静应力强度和变应力强度。绝大多数通用零件都是在变应力下工作的，各大多数通用零件都是在变应力下工作的，各式各样的疲劳破坏是通用零件的主要失效形式各样的疲劳破坏是通用零件的主要失效形式。本章讨论零件在变应力下的疲劳强度问式。本章讨论零件在变应力下的疲劳强度问题。题。 基本要求基本要求重点、难点重点、难点主要内容主要内容 . .理理解疲劳曲线及极限应力曲线的意义解疲劳曲线及极限应力曲线的意义及用途，能及用途，能绘制零件的极限

2、应力简化线图绘制零件的极限应力简化线图; ; . .理解疲劳极限应力图的来源及意义；理解疲劳极限应力图的来源及意义； . .掌握影响机械零件疲劳强度的主要因素掌握影响机械零件疲劳强度的主要因素, ,会查用附录中的有关线图及数表；会查用附录中的有关线图及数表； 4. 4. 会用公式计算稳定变应力时的安全系数会用公式计算稳定变应力时的安全系数。基本要求基本要求重点：重点：机械零件疲劳强度计算疲劳曲线、极机械零件疲劳强度计算疲劳曲线、极限应力线图、单向稳定变应力时机械限应力线图、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算零件的疲劳强度计算难点：难点：非稳定变应力时的安全系数的计算非稳定变应力时的安全系数

3、的计算 3.2 3.2疲劳曲线和极限应力图疲劳曲线和极限应力图3.3 3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素影响机械零件疲劳强度的主要因素3.43.4许用疲劳极限应力图许用疲劳极限应力图3.5 3.5 稳定变应力时安全系数的计算稳定变应力时安全系数的计算3.63.6规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度3.13.1疲劳断裂特征疲劳断裂特征 允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠的证在规定的工作周期内，仍能安全可靠的工作。工作。计算准则：计算准则： 在规定的工作期间内，不允许零件出现在规定的工作

4、期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。 2 2破损安全设计：破损安全设计：1 1安全寿命设计：安全寿命设计：疲劳断裂。疲劳断裂。3.1 疲劳断裂特征疲劳断裂特征变应力下，零件的强度失效形式：变应力下，零件的强度失效形式：疲劳断裂过程：疲劳断裂过程：疲劳断裂截面：疲劳断裂截面：疲劳断裂有何特征？疲劳断裂有何特征？ 1 1）断口处无明显塑性变形；）断口处无明显塑性变形； 2 2）断裂时，最大应力远低于材料的强度极）断裂时，最大应力远低于材料的强度极限，甚至比材料的屈服极限还低；限，甚至比材料的屈服极限还低；1) 1) 疲劳源的产生；疲劳源的产生； 2

5、 2）微裂纹的扩展直至断裂。）微裂纹的扩展直至断裂。 3 3）疲劳断裂是疲劳损伤的积累疲劳断裂是疲劳损伤的积累，初期零件表初期零件表层形成微裂纹，随层形成微裂纹，随N N的增大裂纹扩展，扩展到断截的增大裂纹扩展，扩展到断截面不足承受外载，发生断裂。面不足承受外载，发生断裂。 故变应力下，零件的故变应力下，零件的极限应力极限应力既既不能不能取材料的强取材料的强度极限也不能取屈服极限，应为度极限也不能取屈服极限，应为疲劳极限。疲劳极限。影响疲劳断裂的主要因素：影响疲劳断裂的主要因素：应力应力和应力循和应力循环次数环次数N N。( (疲劳曲线疲劳曲线N N曲线）曲线）3.2 3.2 疲劳曲线和疲劳极

6、限应力图疲劳曲线和疲劳极限应力图3.2.1 3.2.1 疲劳曲线疲劳曲线1 1概念概念2) 2) 疲劳极限疲劳极限rNrN或 循环特性为循环特性为r r的变应力，经过的变应力，经过N N次循环，材料不次循环，材料不发生破坏的应力最大值。发生破坏的应力最大值。图 3.2 疲劳曲线无限寿命区10(10 )Nor有限寿命区03NrN1) 1) 疲劳曲线疲劳曲线)(NN或表示循环次数表示循环次数N N与疲劳极与疲劳极限间关系的关系曲线。限间关系的关系曲线。3) 3) 循环基数循环基数N N0 02 2典型的疲劳曲线典型的疲劳曲线)(0NN 低周循环疲劳区：低周循环疲劳区：N=103(104)（1 1）

7、有限寿命区）有限寿命区疲劳极限随疲劳极限随N N的增加而降低。的增加而降低。043)10(10).1NN 图 3.2 疲劳曲线10(10 )Nor高周循环低周循环有限寿命区10无限寿命区NrN疲劳曲线方程：疲劳曲线方程：CNNCNNmrmrNmrmrN00（3.1）循环循环N N次的疲劳极限为：次的疲劳极限为：mNrNrmrNrNrmrNNNkkNNkNN000（3.2)寿命系数Nk常数rN（2 2）无限寿命区）无限寿命区(N=N(N=N0 0) )3 3关于疲劳曲线方程的几点说明：关于疲劳曲线方程的几点说明：与材料和硬度有关。钢的硬度越大，与材料和硬度有关。钢的硬度越大，N N0 0 越大。

8、越大。（1 1）循环基数）循环基数N N0 0硬度硬度350HB,350HB, 77010251010N如钢：硬度如钢：硬度=350HB,7601010N由疲劳曲线方程求得由疲劳曲线方程求得：rrNNNmlglglglg0（2 2）指数）指数m m图 3.2 疲劳曲线10(10 )Nor高周循环低周循环有限寿命区10无限寿命区NrN疲劳极限应力图用来表示材料在疲劳极限应力图用来表示材料在相同相同N N和和不不同的同的r r下的疲劳极限。坐标：下的疲劳极限。坐标：m m a a（4 4）多数钢的疲劳曲线类似图）多数钢的疲劳曲线类似图3.23.2，当需作疲劳曲线，当需作疲劳曲线，可仿图可仿图3.2

9、3.2作出作出. .3.2.2 3.2.2 疲劳极限应力图疲劳极限应力图1 1 塑性材料的极限应力图如塑性材料的极限应力图如图3.4图3.6(3)(3)不同不同r r时的疲劳曲线形状相似，时的疲劳曲线形状相似，r r愈大愈大 rNrN也愈大。也愈大。简化疲劳极限应力图：图 3.8 塑性材料简化疲劳极限应力图00安 全 区塑性失效区2 脆性材料、低塑性材料的极限应力图如图3.73.33.3影响机械零件疲劳强度的主要因素影响机械零件疲劳强度的主要因素3.3.13.3.1应力集中的影响应力集中的影响 用有效应力集中系数用有效应力集中系数 K K 、K K来考虑应力集中来考虑应力集中对疲劳强度的影响。