1、机械零件的强度 用用lim 表示表示 强度极限强度极限B，屈服极限，屈服极限S，疲劳极限，疲劳极限r许用应力（许用应力（allowable stress）用用ca表示表示极限应力（极限应力（ultimate stress）2、应力（、应力（stress）工作应力（工作应力（working stress）计算应力（计算应力（calculated stress）按材料力学公式按材料力学公式求出的作用在零求出的作用在零件剖面上的应力件剖面上的应力按一定的强度按一定的强度理论求出的与理论求出的与单向拉伸同等单向拉伸同等作用的应力作用的应力材料某个机械材料某个机械性能极限值性能极限值计算应力允许计算应力
2、允许达到的最大值达到的最大值用用表示表示机械零件的强度limS3、安全系数（、安全系数（safety factor）安全系数安全系数极限应力与许极限应力与许用应力的比值用应力的比值安全系数计算值安全系数计算值cacaSlim极限应力与计极限应力与计算应力的比值算应力的比值引入安全系数的原因：引入安全系数的原因：应力计算时的载荷不精确性；应力计算时的载荷不精确性；力学模型与实际状况的差异；力学模型与实际状况的差异；材料机械性能的不均匀性；材料机械性能的不均匀性；零件使用场合的重要性。零件使用场合的重要性。机械零件的强度二、载荷的分类 1）循环变载荷 a)稳定循环变载荷 b)不稳定循环变载荷2）随
3、机变载荷静载荷变载荷：载荷：1）名义载荷 P 2）计算载荷 PC机械零件的强度随机变应力静应力规律性不稳定变应力三、应力的分类1、应力种类变应力：不稳定变应力：稳定循环变应力机械零件的强度2、稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数 应力比（循环特性）ammaxammin2maxmm2maxmamaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅11b)稳定循环变应力种类：-1+1不对称循环变应力 =+1 静应力 =1 对称循环变应力 =0 脉动循环变应力机械零件的强度注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生名义应力由名义载荷产生的应力计算应力由计算载荷产生的应力)
4、()(caca3）名义应力和计算应力机械零件的强度四、变应力（四、变应力（variable stress）的强度计算）的强度计算1、疲劳极限、疲劳极限 衡量变应力的参数有衡量变应力的参数有 最大应力最大应力max（max）最小应力最小应力min（min）平均应力平均应力m（m）应力幅应力幅a（a）应力循环特性应力循环特性 r=min max 疲劳极限疲劳极限循环特性循环特性r一定一定时，应力循环时，应力循环N次 后，材 料次 后，材 料不发生疲劳破不发生疲劳破坏时的最大应坏时的最大应力力用用rN 表示表示机械零件的强度即即N曲线曲线疲劳曲线疲劳曲线maxBCDNND104103N0AB段：静应
5、力区间，段：静应力区间，B点点对应的的应力循环次对应的的应力循环次数大约为数大约为10 3；BC段：随段：随N的增大，的增大，max 下降，下降，C点所对应的点所对应的N值大约为值大约为10 4，这种，这种破坏为破坏为应变疲劳应变疲劳，或，或低周疲劳低周疲劳。给定的循环特性条给定的循环特性条件下，应力循环次件下，应力循环次数数N与疲劳极限与疲劳极限rN之 间 的 关 系 曲 线之 间 的 关 系 曲 线机械零件的强度CD段：随段：随N的增大，的增大，max下降较快，这阶段称为下降较快，这阶段称为有限寿命有限寿命阶段，也称为阶段，也称为高周疲劳高周疲劳。D点以后：点以后：D点以后的曲线趋于水平，
6、说明随点以后的曲线趋于水平，说明随N的的增多，增多，max不再下降，即到不再下降，即到无限寿命无限寿命阶段，一阶段，一般工程材料的般工程材料的D点约为点约为10 625 10 7。lgrC CD DlglgN NlglgN ND DlglgN N0 0lglgN N双对数坐标表示双对数坐标表示的疲劳曲线的疲劳曲线CD段方程：段方程：CNmrNm与材料有关的常数与材料有关的常数 C常数常数 机械零件的强度循环基数循环基数N 0对应的疲劳极限对应的疲劳极限0rN式中：式中：K N寿命系数寿命系数NrmrrNKNN0N D不大时，不大时，N 0=N DN D很大时，很大时，N 0 N D任意循环任意
7、循环N次的疲劳极限为：次的疲劳极限为：简写为简写为rmaxBCDNND104103N0机械零件的强度2、材料的极限应力图、材料的极限应力图3、零件的极限应力图、零件的极限应力图对称循环变应力对称循环变应力:平均应力平均应力m0最大应力最大应力maxa脉动循环变应力脉动循环变应力:平均应力平均应力m0.50应力幅应力幅a0.50静应力静应力:平均应力平均应力ms应力幅应力幅a0maxmaxm m+a aS S的变应力的变应力 OAOA G G C C区域为安全区区域为安全区A A G G C C折线为疲劳极限折线为疲劳极限1meaeKmeaes机械零件的强度四、单向稳定变应力的四、单向稳定变应力
8、的机械零件疲劳强度机械零件疲劳强度 1、变应力的循环特性保持、变应力的循环特性保持不变（不变（rC）的情况）的情况 绝大多数转轴中的应力绝大多数转轴中的应力状态。状态。M1N1aD DG GmAMC CNmaM点的极限应力为点的极限应力为maxmeaeminmaxminmaxrr11CM1(meme、aeae)maamK)(1maKmax1机械零件的强度安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件limcaS静强度条件静强度条件SSmasscamaxlim2、变应力的平均应力保持变应力的平均应力保持不变（不变（mC）的情况）的情况M2N2aDGmACMNHOmaxmaxSKma1振动着的受
9、载弹簧的应振动着的受载弹簧的应力状态力状态机械零件的强度M点的极限应力为点的极限应力为安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件静强度条件静强度条件KKKmme)()1(11maxSKKSmamca)()(1maxmaxlimSSmasscamaxlim机械零件的强度3、变应力的最小应力保持、变应力的最小应力保持不变（不变（minC）情况）情况aJGmACMNminMM3N3minNKKaememin1max)(2受轴向变载荷螺栓联接受轴向变载荷螺栓联接的应力状态的应力状态 minmaC M点的极限应力为点的极限应力为机械零件的强度安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件SKKS
10、aca)()(2minmin1maxmaxlimv 说明：说明：难以确定应力变化规律的，采用难以确定应力变化规律的，采用r=C计算计算macaKS1S应力幅的综合影响系数工作应力幅对称循环弯曲疲劳极限机械零件的强度五、单向不稳定变应力时的疲劳强度五、单向不稳定变应力时的疲劳强度1、非规律性的不稳定变应力、非规律性的不稳定变应力 变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。2、规律性的不稳定变应力、规律性的不稳定变应力
11、 变应力参数的变化有一个简单的规律。变应力参数的变化有一个简单的规律。利用利用疲劳损伤累计假说疲劳损伤累计假说进行计算。进行计算。机械零件的强度每一次循环的损伤率：每一次循环的损伤率：1Nn次循环的损伤率：次循环的损伤率：nN累计损伤率为：累计损伤率为：ziiiNn111ziiiNn各应力幅无大的差别各应力幅无大的差别及强烈的短时过载及强烈的短时过载应力由大到小作用应力由大到小作用11ziiiNn应力由小到大作用应力由小到大作用11ziiiNn累计损伤率累计损伤率100%时，时，材料发生疲劳破坏材料发生疲劳破坏为什么？为什么？机械零件的强度代入累计损伤公式得：代入累计损伤公式得：不破坏的条件：
12、不破坏的条件：0NNmrmrN,)(1101mNN,)(2102mNN1)(1101221110mzimiimmmNnnnNmmiiNn10令计算应力为：令计算应力为：mzimiicanN1013N机械零件的强度则则零件上同时作用的法向及切零件上同时作用的法向及切向变应力向变应力a和和a时，试验得时，试验得到的极限应力关系式为：到的极限应力关系式为：1ca安全系数安全系数SScaca1六、双向稳定变应力时的疲劳强度六、双向稳定变应力时的疲劳强度AMM C CDD Bea1ea1O1)()(2121eaea1、对称循环稳定变应力、对称循环稳定变应力a 和和a 同时作同时作用的切向和法向应用的切向
13、和法向应力幅的极限值力幅的极限值机械零件的强度M点的计算安全系数为：点的计算安全系数为：OMOMScaOCOCODODeaOC1代入整理得：代入整理得：acaaSacaaS1)()(2121eacaeacaSSeaOC1eaOD1eaOD1机械零件的强度先求出先求出S和和S，再求出计算安全系数，再求出计算安全系数Sca2、非对称循环稳定变应力、非对称循环稳定变应力Sae1又因为Sae11)()(22SSSScaca所以22SSSSScamaKS1maKS1机械零件的强度七、提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施 在设计阶段就应考虑采取设计措施来提高在设计阶段就应考虑采取设计措施来提高机械零件的疲劳强度：机械零件的疲劳强度：、尽可能降低应力集中；、尽可能降低应力集中；、选用疲劳强度高的材料；、选用疲劳强度高的材料；、选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化、选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺；工艺；、提高机械零件表面的质量；、提高机械零件表面的质量；、尽可能减小或消除零件表面可能发生的初、尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹尺寸。始裂纹尺寸。
