第3章机械零件的疲劳强度

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1、机械零件的疲劳强度设计方法1、安全寿命设计2、破损安全设计在规定的工作期在规定的工作期间内，不允许零间内，不允许零件出现疲劳裂纹，件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认一旦出现，即认为失效为失效允许零件存在裂纹允许零件存在裂纹并缓慢发展，但须并缓慢发展，但须安全保证在规定的安全保证在规定的工作期间内，仍能工作期间内，仍能安全可靠的工作安全可靠的工作变应力作用下机械零件的失效特征疲劳（破坏、断裂）疲劳（破坏、断裂）1、失效形式、失效形式2、疲劳破坏特征、疲劳破坏特征1）断裂过程：）断裂过程：产生初始裂纹产生初始裂纹 （应力较大处）（应力较大处）裂纹尖裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹端在

2、切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹2）断裂面：）断裂面：光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 ：破坏时的应力（疲：破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限劳极限）远小于材料的屈服极限疲劳断裂截面疲劳源疲劳源光滑的疲劳区光滑的疲劳区前沿线前沿线粗糙的断裂区粗糙的断裂区3、疲劳破坏的机理、疲劳破坏的机理损伤的累积损伤的累积4、影响因素、影响因素不仅与材料性能有关，而且变应力的循环特性，应力不仅与材料性能有关，而且变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响循环次数，

3、应力幅都对疲劳极限有很大影响疲劳曲线疲劳曲线疲劳极限应力图疲劳极限应力图工程中的简化极限应力图工程中的简化极限应力图1 1、概念、概念疲劳极限疲劳极限s srN、t trN ：在循环特性：在循环特性r下的变应力，经过下的变应力，经过N次循次循环后，材料不发生破坏的应力最大值环后，材料不发生破坏的应力最大值 疲劳曲线：疲劳曲线：指循环次数指循环次数N与疲劳极限与疲劳极限s srN、t trN间的关系曲间的关系曲线线s-s-N N、t-t-N N有限寿命：有限寿命：指零件的疲劳寿命由循环次数指零件的疲劳寿命由循环次数N而定而定 无限寿命：无限寿命：当当NN0时，疲劳极限不随循环次数的增加而降时，疲

4、劳极限不随循环次数的增加而降低，寿命与循环次数无关低，寿命与循环次数无关 低周循环疲劳：低周循环疲劳：指循环次数指循环次数N103(104)次时的工作循环次时的工作循环高周循环疲劳：高周循环疲劳：指循环次数指循环次数N103(104)次时的工作循环次时的工作循环有限寿命区无限寿命区低周循环高周循环ABrNslgNlg2 2、疲劳曲线、疲劳曲线rs1 1）有限寿命区）有限寿命区 当当N N10350HB的钢 77010251010N有色金属 701025N对于350HB的钢，若N107，取N=N0=107 则kN=1 对于350HB的钢，若N25107，取N=25107 则kN=1 对于有色金属

5、，若N25107，取N=25107 则kN=1 mNNNk0寿命系数 1-smsOFABBsas20s20s45s st1- -s s0s ss sts stAA对称疲劳极限点对称疲劳极限点 BB脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点 FF强度极限点强度极限点1-smsOFABBsas20s20s45s st1- -s s0s ss sts st1-smsSsOSFEABBsas20s20s45451-smsSsOSFEABBsas20s20s4545amsssslimmaxsamsssslimmaxmaxsssssmax材料的简化极限材料的简化极限应力线图，可根应力线图，可根据材料的三个试据材料的三个

6、试验数据验数据-1、0 和和 s而作出而作出1-smsSsOSFEABBsas20s20s4545疲劳和疲劳和塑性安塑性安全区全区疲劳失疲劳失效区效区塑性失塑性失效区效区折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。1-smsSsOSFABBsas20s20s45疲劳和疲劳和塑性安塑性安全区全区疲劳塑性失疲劳塑性失效区效区1-smsSsOSFABBsas20s20s45疲劳和疲劳和塑性安塑性安全区全区疲劳塑性失疲劳塑性失效区效区45应力集中的影响应力集中的影

7、响零件尺寸的影响零件尺寸的影响表面状态的影响表面状态的影响其他影响因素：环境介质、加载顺序、加载频率其他影响因素：环境介质、加载顺序、加载频率零件对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，零件对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感感1 1、影响方式、影响方式零件受载时，要在构件几何形状的突然变化处，零件受载时，要在构件几何形状的突然变化处，产生应力集中。在应力集中的局部区域内易形成产生应力集中。在应力集中的局部区域内易形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著下降疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著下降影响大小可通过有效应力集

8、中系数影响大小可通过有效应力集中系数 体现出来体现出来 2 2、影响大小、影响大小) 1(1-sssqk) 1(1-tttqkts,)(tsqq为考虑零件几何形状的理论应力集中系数为考虑零件几何形状的理论应力集中系数 材料对应力集中的敏感系数材料对应力集中的敏感系数 )(tskkbB拉伸情况拉伸情况弯曲情况弯曲情况bB1.00.80.20.60.4060080010001200400s敏敏感感系系数数强度极限强度极限1 1、影响方式、影响方式材料的疲劳极限一般是用直径为材料的疲劳极限一般是用直径为7 710mm10mm的小试件测定的的小试件测定的 零件尺寸大，则作用在零件上的高应力区大，发生疲

9、劳破坏零件尺寸大，则作用在零件上的高应力区大，发生疲劳破坏的概率大的概率大由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著零件疲劳强度的不良影响愈显著2 2、影响大小、影响大小影响大小可通过尺寸系数影响大小可通过尺寸系数 体现出来体现出来 )(ts)(ts影响大小可通过表面状态系数影响大小可通过表面状态系数 体现出来体现出来 4 .06 .0st钢：钢： s s可查图表，可查图表， t t铸铁：铸铁： s s t t11综合

10、影响系数sssskkD)(ttttkkD)(应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力幅有影应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力幅有影响，即疲劳极限主要受应力幅的影响响，即疲劳极限主要受应力幅的影响 说明说明稳定变应力和非稳定变应力稳定变应力和非稳定变应力许用（零件）疲劳极限应力图许用（零件）疲劳极限应力图工作应力增长规律工作应力增长规律稳定变应力：稳定变应力：在每次循环中，平均应力在每次循环中，平均应力m m、应力幅、应力幅a a和周期和周期T T都不随时间变化的变应力都不随时间变化的变应力 非稳定变应力：非稳定变应力：指平均应力指平均应力m m、应力幅、应力幅a a和周期和周期T T中中至少