机械设计第四版第 3 章
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1、本章思路：首先找出材料的疲劳极限（做实验得）找到零件的许用疲劳极限（实际使用的）a.应力集中（即零件形状）b.尺寸影响。c.表面状况。根据零件的工作区，计算安全系数。两种疲劳强度计算：1. 安全寿命设计：v 准则：在规定的工作期限内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。v 按N曲线进行有限寿命和无限寿命计算，或按pN曲线进行低周循环疲劳计算。2. 破损安全设计：v 准则：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地工作。v 按 曲线进行疲劳裂纹寿命计算。KdNda1.在变应力下工作的零件，失效为疲劳断裂：(1)第一阶段：在表面应力较大处产生初始裂纹，形成疲劳源；(
2、2)第二阶段：裂纹扩展，直至断裂；(3)各种内部缺陷都可能产生裂纹，应力集中促使表面裂纹的产生和发展。2.现象：(1)形成光滑的疲劳发展区粗糙的脆性断裂区；(2)粗糙的脆性断裂区是由于剩余截面静应力强度不足造成，载荷大，粗糙表面越大。3.疲劳破坏疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的 ，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现将出现（萌生）裂纹（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展逐渐扩展直到发生完全断裂发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏疲劳破坏”。 maxb “疲劳破坏”。是循环应力作用下零件的
3、主要失效形式。 疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的 低于 ，甚至低于 。 b) 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。 maxbs脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区疲劳区和脆性断裂区。脆性断裂区。e) 对材料的组成、零件形状、尺寸、表面状态、使用条件和外界环境等较敏感。 一. 疲劳曲线：a.疲劳极限：在r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值，rN或rN。b.b.疲劳寿命疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 不同或 N
4、 不同时，疲劳极限 则不同。在疲劳强度计算中，取 。rNrNlimc.疲劳曲线（N或N）：表示循环特性r一定时，循环次数N与疲劳极限rN间的关系曲线；d.疲劳曲线分为：NN0为无限寿命区。典型的疲劳曲线如右图所示： 可以看出： 随 N 的增大而减小。但是当 N 超过某一循环次数 N0 时，曲线 趋于水平。即 不再随 N的增大而减小。 rNrN N0 -循环基数循环基数。 以 N0 为界，曲线分为两个区： 1）无限寿命区：无限寿命区：当 N N0 时，曲线为水平直线，对应的疲劳极 限是一个定值，用 表示。它是表征材料疲劳强度的重要 指标，是疲劳设计的基本依据。 可以认为：当材料受到的应力不超过
5、时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。寿命是无限的寿命是无限的。 与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：2）有限寿命区：有限寿命区： 非水平段（NN0）的疲劳极限称为条件疲劳极条件疲劳极 限限，用 表示 。当材料受到的工作应力超过 时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。寿命是有限的寿命是有限的。 rN1）无限寿命设计无限寿命设计： N N0 时的设计。取 。 lim2）有限寿命设计有限寿命设计： N N0 时的设计。取 。 limrN1.有限寿命区： a.低周循环疲劳：当N103（104）次时，疲劳极限接近屈服极限，疲劳极限几乎与循环次数的变化无关。此阶段一般按静应力强度计算，重要
6、情况下，按低周期循环疲劳设计。b.高周循环疲劳：当N103（104）时的循环叫。其中103（104）NN0时，疲劳极限随循环次数的增加而降低。2. 无限寿命区：a. NN0时，疲劳曲线为水平线，rN、rN与N的变化无关。b. 基本循环次数（循环基数）N0时的疲劳极限：记为循环特性为r时为r、r： a) 对称循环时，r=-1，则为-1、-1；b) 脉动循环时，r=0，则为0、0。c. 疲劳曲线图的画法： 知道N0点疲劳极限r（B点）和N=103次的疲劳极限（取为0.9s（A点），则可作出AB段；有色金属和高强度合金钢的疲劳曲线没有无限寿命区； 3. 计算：1）N103（104）：按静应力强度进行
7、计算。2）在103（104）NN0 有限寿命区内： 疲劳曲线方程： 00CNNCNNmrmrNmrmrNb. 已知N0和r、r，则在任意N次循环时疲劳极限为： mNrNrmrNrNrmrNNNKKNNKNN000c. 表面接触疲劳曲线形状和方程同上面，N 次时的疲劳极限为HN；3）说明：1) 循环基数N0：a. 材质不同，N0 不同；b. 钢HB ，N0 ： 707707601025102510103501010,350NNHBNHB有色金属；钢，；钢.1025102510251025350110103507777707NNNNHBKNNNHBN时，取有色金属，当；，取的钢，若；，取的钢，若0
