1、3-13-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性3-23-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算3-33-3 机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度3-43-4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第三章 机械零件的强度3-53-5 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度u强度理论强度理论:是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论。材料是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论。材料在外力作用下有两种不同的破坏形式：在外力作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著一是在不发生显著塑性变形塑性变形（永久变形永久变形）时的突然断裂）时的突然断裂
2、,称称为为脆性脆性破坏破坏;二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为塑塑性性破坏。破坏的原因十分复杂。破坏。破坏的原因十分复杂。u应力应力:单位面积上所承受的附加内力。单位面积上所承受的附加内力。u屈服极限屈服极限s s ：材料材料受外力到一定限度时，即使不增加受外力到一定限度时，即使不增加负荷负荷它仍继续发生明显的它仍继续发生明显的塑性变形塑性变形。这种现象叫。这种现象叫“屈服屈服”。发生屈服现象时的发生屈服现象时的应力应力，称屈服极限。，称屈服极限。u强度极限强度极限B B：材料在受力过程中，从开始加载直至断裂材料在受力过程中，从开始
3、加载直至断裂 的整个过程中，按杆件原截面计算所能达的整个过程中，按杆件原截面计算所能达 到的最大应力值。到的最大应力值。第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度u静应力下的许用应力静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：静应力下，零件材料的破坏形式：断裂断裂或或塑性变形。塑性变形。1.1.塑性材料的许用应力塑性材料的许用应力:取屈服极限取屈服极限S S 作为极限应力作为极限应力,许用应力为：许用应力为：2.2.脆性材料的许用应力：脆性材料的许用应力：取强度极限取强度极限B B 作为极限应力作为极限应力,许用应力为：许用应力为：SsSBu变应力下的许用应力变应力下的许用应力变应力下，零
4、件变应力下，零件材料的破坏形式材料的破坏形式:疲劳断裂。疲劳断裂。u材料的分类材料的分类:（1 1）塑性材料：）塑性材料：钢，钢，含碳量含碳量2%2%2%3-1 3-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性u零件疲劳破坏的过程：零件疲劳破坏的过程：疲劳裂纹源疲劳裂纹源 微观裂纹扩展微观裂纹扩展 宏观裂纹扩展宏观裂纹扩展 瞬时断裂瞬时断裂u疲劳裂纹源：疲劳裂纹源：表面滑移带、晶界表面滑移带、晶界 、内部非金属夹杂物、内部非金属夹杂物、表面机械划伤、焊接裂纹、锻造缺陷、零件的轴肩、表面机械划伤、焊接裂纹、锻造缺陷、零件的轴肩、键槽、缺口等。键槽、缺口等。u疲劳破坏的特点：疲劳破坏的特点：1.1.破坏时应力
5、破坏时应力远小于远小于B B,甚至甚至小于小于S S。2.2.脆性和塑性材料都表现为突然脆性和塑性材料都表现为突然 脆性断裂。破坏前无明显塑性变形。脆性断裂。破坏前无明显塑性变形。3.3.破坏断口表面明显地分成：破坏断口表面明显地分成：光滑表面疲劳区光滑表面疲劳区和和粗糙表面断裂区粗糙表面断裂区。疲劳是零件长期在疲劳是零件长期在变应力变应力条件下工作引起的。条件下工作引起的。3-1 3-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性循环变应力的描述循环变应力的描述:m m 平均应力；平均应力；a a应力幅值应力幅值maxmax 最大应力；最大应力；minmin 最小应力最小应力 r r 应力比（循环特性）应
6、力比（循环特性）2minmaxm 2minmaxa maxmin rr=-1 对称循环变应力对称循环变应力r=0 脉动循环变应力脉动循环变应力r=1 静应力静应力 非对称循环变应力非对称循环变应力典型循环变应力典型循环变应力 0-1+13-13-1材料的疲劳特性材料的疲劳特性表示在表示在给定循环特性下给定循环特性下,N N 的关系。的关系。CD 段段：N10 4 高周疲劳高周疲劳 r r N N 有限寿命疲劳极限有限寿命疲劳极限脉动脉动循环时，循环时，弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限 r r=0 0 对称对称循环时，循环时，弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限 r r=-1-1(一一)N N 疲劳曲线疲劳曲线 (
7、实验得出实验得出)0mrNrNrNNKNK寿命系数 rN 循环循环N次的疲劳极限次的疲劳极限 m 寿命指数寿命指数 N 试件实际循环次数试件实际循环次数 r D点疲劳极限点疲劳极限,与与N无关无关。N0 人为设定的循环次数人为设定的循环次数 (N0 ND,N010 7)CDCD曲线上任意点疲劳极限表达式曲线上任意点疲劳极限表达式疲劳曲线方程疲劳曲线方程：AC 段段:N N10 10 4 4 低周疲劳低周疲劳 视其等同静应力强度状况视其等同静应力强度状况 D D点之后点之后：N10 6 高周疲劳高周疲劳r r N D N D (r r)无限寿命疲劳极限无限寿命疲劳极限 N 疲劳曲线疲劳曲线101
8、04 40mmrNrNNC0mrNrNN疲劳曲线方程疲劳曲线方程：mrNN C(二二)等寿命疲劳曲线等寿命疲劳曲线3-13-1材料的疲劳特性材料的疲劳特性ma 10012 m m a a 曲线：在某一给定的曲线：在某一给定的循环次数时循环次数时,不同应力比的疲劳极限特性。不同应力比的疲劳极限特性。对称循环对称循环极限应力点：极限应力点：AA (0,(0,-1-1)脉动循环脉动循环极限应力点：极限应力点：DD (0 0/2,/2,0 0/2)/2)静应力静应力极限应力点：极限应力点：C C (S S，0)0)AA GG 疲劳强度极限线疲劳强度极限线，线上各点极限应力数值为线上各点极限应力数值为:
9、G CG C 屈服强度极限线屈服强度极限线，线上各点极限应力数值均满足：线上各点极限应力数值均满足：结论：试件结论：试件材料的工作应力，只要在材料的工作应力，只要在A A D D G G C C区域内，即可满足区域内，即可满足 其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。3-13-1材料的疲劳特性材料的疲劳特性A GA G直线方程：直线方程：试件受循环弯曲应力时的材料常数试件受循环弯曲应力时的材料常数,(A G (A G 直线的斜率直线的斜率)max amramS 3-2 3-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算零件零件的对称循环弯曲
10、疲劳极限的对称循环弯曲疲劳极限-1e-1e 试件试件的对称循环弯曲疲劳极限的对称循环弯曲疲劳极限-1-1-1-1e=Kk k 应力集中系数应力集中系数 零件尺寸系数零件尺寸系数 表面质量系数表面质量系数 q q 零件强化系数零件强化系数q11)1k(KAGAG方程：方程：CGCG方程：方程：meeaee 1saemeK 弯曲疲劳极限综合影响系数弯曲疲劳极限综合影响系数脚标脚标表示在正应力条件下表示在正应力条件下零件的疲劳极限零件的疲劳极限 Ke3-23-2机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算(一一)单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算 (只受一种应力只受一种应力
11、)零件的零件的实际工作应力点实际工作应力点 N N、M M零件的零件的疲劳极限应力点疲劳极限应力点 AGC AGC 线上某点线上某点 根据零件工作时所受的约束来根据零件工作时所受的约束来确定确定应力可能发生的变化规律应力可能发生的变化规律，从，从而决定以哪一个点来表示极限应力。而决定以哪一个点来表示极限应力。典型的应力变化规律有以下三种：典型的应力变化规律有以下三种：应力比为常数：应力比为常数：r=Cr=C 平均应力为常数平均应力为常数:m m =C=C 最小应力为常数最小应力为常数:minmin =C=C),(am 计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：maxmalim
12、camaxmaSS),(am S Scaca 计算计算安全系数安全系数 S S 许用许用安全系数安全系数maxmax零件的疲劳零件的疲劳极限极限应力应力maxmax 零件的实际零件的实际工作工作应力应力 mameaeK max1maxmaxminmaxlim11aeamemrCrOGA区域内，区域内，零件做零件做计算，计算，MM1 1 点的极限应力值为点的极限应力值为：欲使欲使M M、M M1 1 具有具有相同的相同的应力比，应力比，则它们必在过则它们必在过原点的射线上。原点的射线上。M(M(a a ,m m )零件零件实际实际工作应力点工作应力点，M M1 1 (a a e e,meme )
13、零件的零件的极限极限应力点应力点 OGC区域内，区域内，零件做零件做计算，计算，N N1 1点的极限应力值为点的极限应力值为 S S结论：结论：该射线上所有点的该射线上所有点的 应力比均为应力比均为 r=Cr=C，M M1 1 为这些点的极限应力点。为这些点的极限应力点。1.1.应力比为常数：应力比为常数：r=Cr=C3-2机械零件的疲劳强度计算222.2.平均应力为常数平均应力为常数:m m =C=CM M 、N N 工作应力点工作应力点MM2 2 、NN2 2 极限应力点极限应力点M MM M2 2 线线 纵轴纵轴，线上各点具有线上各点具有相同的相同的 m m 。3-2机械零件的疲劳强度计
14、算M M 2 2 点的值：点的值：KKm)(1max安全系数校核公式：安全系数校核公式：在在HGC区域区域只做只做计算。计算。M M 工作应力点工作应力点MM3 3 极限应力点极限应力点M MM M3 3线与线与横轴横轴相交相交 4545，线上各点具有线上各点具有相同的相同的 minmin 。3.3.最小应力为常数最小应力为常数:minmin =C=C3-23-2机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 minmin =m m-a a33min安全系数校核公式：安全系数校核公式：在在 IGC区域区域只做只做计算。计算。4.4.等效对称循环变应力等效对称循环变应力5.5.较短使用期限时零件的
15、疲劳强度计算较短使用期限时零件的疲劳强度计算 相当于把原来的不对称循环变应力折算为一个对称循环变应力，相当于把原来的不对称循环变应力折算为一个对称循环变应力，且在数值上与原来的不对称循环变应力等效。称为应力的等效转化。且在数值上与原来的不对称循环变应力等效。称为应力的等效转化。当当10104 4N NN N0 0 时，即时，即CDCD段，属于段，属于有限疲劳寿命有限疲劳寿命计算计算，公式中的极限应力应按公式中的极限应力应按rNrN求出。求出。3-2 3-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 对于对称循环来说，对于对称循环来说，-1-1 既是最大应力，也是应力幅。既是最大应力，也是应
16、力幅。K K a a项本身就是应力幅。如果将项本身就是应力幅。如果将 m m项看做是折算后的应力幅，则式项看做是折算后的应力幅，则式（3-173-17）就是一个应力幅的比例式。）就是一个应力幅的比例式。式（式（3-173-17）把平均应力折算为应力幅的等效系数。把平均应力折算为应力幅的等效系数。m0rrNNN 规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力(二二)单向不稳定变应力时的疲劳强度计算单向不稳定变应力时的疲劳强度计算当损伤率达到当损伤率达到100%100%时，材料即发生疲劳破坏。时，材料即发生疲劳破坏。1332211NnNnNn用统计方法进行疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强度计算不稳定变应力不
17、稳定变应力非规律性非规律性规律性规律性按按损伤累损伤累积积假说假说进行疲劳强度计算进行疲劳强度计算11ziiiNn疲劳损伤积累假说疲劳损伤积累假说Z Z 变应力级数变应力级数3-23-2机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算材料疲劳曲线材料疲劳曲线故对应于极限状况有：故对应于极限状况有：1 1循环循环1 1次次,材料的损伤率为材料的损伤率为1/1/N N1 1。1 1循环循环n n1 1次次,材料的损伤率为材料的损伤率为n n1 1/N N1 1。3-23-2机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算6（三）双向稳定变应力时的疲劳强度计算（三）双向稳定变应力时的疲
18、劳强度计算M M 零件上同时作用的同相位稳定对称循环零件上同时作用的同相位稳定对称循环切应力切应力a a 和和 正应力正应力 a a。12e1a2e1a MM 同时作用的切向及法向应力幅的同时作用的切向及法向应力幅的极限值极限值 a a 、a a。工作应力点在工作应力点在AMAMB B弧线弧线内，因而是安全的。内，因而是安全的。对称循环对称循环:a a =maxmax计算安全系数：计算安全系数：22maxmaxcaSSSSOMOMS 3-2 3-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算极限应力关系式为：极限应力关系式为：AM AM B B 曲线在坐标系中是一个圆。曲线在坐标系中是一个圆
19、。Sae1 Sae1而：而：（四）提高机械零件疲劳强度的措施（四）提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的并配以适当的热处理热处理和各种表面强化处理。和各种表面强化处理。适当提高零件的适当提高零件的表面质量表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面，特别是提高有应力集中部位的表面 加工质量，必要时表面作适当的防护处理。加工质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能降低零件上的尽可能降低零件上的应力集中应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的的影响，是提高零件疲劳强度的 首要措施。
20、首要措施。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹初始裂纹的尺寸，对于的尺寸，对于 延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。减载槽减载槽 在不可避免地要产生较大应力集在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用中的结构处，可采用减载槽减载槽来降来降低应力集中的作用。低应力集中的作用。3-2 3-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算3机械零件的抗断裂强度3-3 3-3 机械零件的抗断裂机械零件的抗断裂强度强度 低应力脆断：低应力脆断：工作应力工作应力 许用应力许用应力 发生原因：
21、发生原因：大型结构件、焊接件、工作条件复杂、载荷形式多样，大型结构件、焊接件、工作条件复杂、载荷形式多样，高强度材料抵抗裂纹扩展的能力要高强度材料抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降随着强度的增高而下降。断裂力学断裂力学 是研究带有是研究带有宏观裂纹宏观裂纹或带有尖缺口的结构或构件的或带有尖缺口的结构或构件的 强度和变形规律的学科。强度和变形规律的学科。发生场合：发生场合：高强度高强度或或材料结构、大型焊接件。材料结构、大型焊接件。度量含裂纹结构体的强度，判别结构安全性的参数：度量含裂纹结构体的强度，判别结构安全性的参数：K KI IK KIC IC 时，裂纹不会失稳扩展。时，裂纹不会失稳
22、扩展。K KI IK KIC IC 时，裂纹失稳扩展。时，裂纹失稳扩展。提醒设计者：提醒设计者：对高强度材料结构、大型焊接件，对高强度材料结构、大型焊接件，传统的强度理论计算不传统的强度理论计算不 再适用，而应考虑防止发生低应力断裂问题。再适用，而应考虑防止发生低应力断裂问题。K KI I 应力强度因子。应力强度因子。反映裂纹顶端附近各点应力大小的物理量。反映裂纹顶端附近各点应力大小的物理量。K KICIC 断裂韧度。反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力。断裂韧度。反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力。3-4 3-4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 接触应力接触应力当两零件以点、线相接触时，当两零件
23、以点、线相接触时，其接触的局部引起的应力。其接触的局部引起的应力。其特点是：其特点是：仅在局部仅在局部很小的区域内产生很很小的区域内产生很大的应力。大的应力。22212121H1111EEBF 赫兹应力公式：（赫兹应力公式：（线接触）线接触）F F 作用于接触面上的总压力。作用于接触面上的总压力。B B 初始接触线总长度。初始接触线总长度。1 1 、2 2 零件沿连心线方向的弹性位移。零件沿连心线方向的弹性位移。1 1、2 2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径。分别为两零件初始接触线处的曲率半径。H H 接触面上的应力最大值。接触面上的应力最大值。3-5 3-5 机械零件可靠性设计简介机械零
24、件可靠性设计简介传统设计方法传统设计方法 将设计变量作为确定性变量。将设计变量作为确定性变量。可靠性设计方法可靠性设计方法 将设计变量考虑为随机变量。将设计变量考虑为随机变量。可靠度可靠度 产品在规定工作条件和寿命下，产品在规定工作条件和寿命下，完成规定功能的概率。完成规定功能的概率。第三章 机械零件的强度 1.变应力的种类及定义。变应力的种类及定义。2.2.-N-N疲劳曲线、等寿命疲劳曲线中各点、各线段的意义及用途。疲劳曲线、等寿命疲劳曲线中各点、各线段的意义及用途。3.3.根据给定数据，绘制试件和零件的极限应力简图。根据给定数据，绘制试件和零件的极限应力简图。4.4.机械零件的接触强度概念。机械零件的接触强度概念。5.5.maxmax，minmin，m m，a a，-1-1，0 0，r r，N N，N N0 0，K K的物理意义。的物理意义。6.6.掌握单向稳定变应力掌握单向稳定变应力r=c;r=c;m m=c;=c;minmin =c=c 的循环特性。的循环特性。根据工作应力点的位置，确定极限应力点的位置。根据工作应力点的位置，确定极限应力点的位置。7.7.会查本章附录有关线图和数表。会查本章附录有关线图和数表。知识要点知识要点:
