第3章机械零件的强度hm.ppt
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1、第三章 机械零件的强度,强度准则是设计机械零件的最基本准则,即 。 强度问题: 静应力强度:通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件,均按静应力强度进行设计。(材料力学范畴) 变应力强度:在变应力作用下,零件产生疲劳破坏。 疲劳破坏的定义:金属材料试件在交变应力作用下,经过长时间的试验而发生的破坏。 疲劳破坏的特征: 1)零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时,就可能发生破坏; 2)即使是塑性材料,在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。,疲劳破坏的原因:材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹,称为裂纹源。 在交变应力作用下
2、,随着循环次数的增加,裂纹不断扩展,直至零件发生突然断裂。,影响零件疲劳极限的因素: 材料特性 载荷状况 零件状况 环境状况,载荷分类:,应力分类:,变应力参数: 对于稳定循环变应力,用下列变应力参数表示变应力状况。,描述规律性的交变应力可有5个参数,但其中只有2个参数是独立的。,循环特性的应用:,几种典型变应力的循环特征和应力特点,3-1 材料的疲劳特性,材料的疲劳特性描述参数: 1)最大应力 2)应力循环次数N 3)应力比(或循环特性)r( ),机械零件材料的抗疲劳特性是通过试验来测定的,即在材料的标准试件上加上一定应力比的等幅变应力,通常是加上应力比r=-1的对称循环应力或是r=0的脉动
3、循环应力,通过试验,记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N。,在任一给定循环特性r的条件下,应力循环N次后,材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限。,疲劳曲线( N 曲线) 在一定的应力比r下,疲劳极限(以最大应力max表征)与应力循环次数N的关系曲线。,(一) N 疲劳曲线,曲线CD段代表有限寿命疲劳阶段,有限寿命疲劳极限用符号 表示。 D点以后称为无限寿命疲劳阶段,无限寿命疲劳极限用 表示。,在做疲劳试验时,常规定一个循环次数 (称为循环基数)。,用N0和与N0相对应的疲劳极限 (简写为 )来近似代表 和 。,根据 及 来求有限寿命区间内任意循环次数 的表达式 。
4、,寿命系数,即 。 m 材料常数,其值由试验来决定。 钢材,弯曲和拉压疲劳,m=620, 。 钢制零件受弯曲疲劳时,中等尺寸取m=9, 大尺寸零件取 m=9,当N大于疲劳曲线转折点D所对应的循环次数ND时,式中的 N就取为ND,用 代表 。,说明:曲线CD和D以后两段所代表的疲劳通常统称为高周疲劳,大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。,等寿命曲线或极限应力线图( N 曲线) 在特定寿命条件下,最大应力max =m +a与应力比 的关系。,(二)等寿命疲劳曲线(疲劳极限应力线图),材料试验一般只给出r=-1及r=0时的疲劳极限,即1、0。为获得各种不同循环特性r时的疲劳极限,
5、常借助简化的疲劳极限应力图。,以 为横坐标、 为纵坐标,即可得材料在不同应力循环特性下的极限 和 的关系图。,材料的简化极限应力线图,可根据材料的三个试验数据 和 而作出。,极限应力线,其上各点的坐标为,材料的极限平均应力,材料的极限应力幅,材料的最大极限应力:,段 ,A直线的方程为:,C直线的方程为:,y为试件受循环弯曲应力时的材料常数,其值由试验及下式决定:,对于碳钢,y0.10.2,对于合金钢,y0.20.3。,上各点: 如果 不会疲劳破坏 上各点: 如果 不会屈服破坏,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。,A对称疲劳极限点 D脉动
6、疲劳极限点 G强度极限点 C 屈服极限点,小结:,对称极限点,强度极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,对称极限点 强度极限点 脉动疲劳极限点 屈服极限点 简化极限应力线图:简化极限应力图 作法:考虑材料的最大应力不超过疲劳极限,得 及延长线 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限,得,3-2 机械零件的疲劳强度计算,零件的极限应力线图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响,使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值,即:,在不对称循环时,是试件与零件极限应力幅的比值。,将
7、零件材料的极限应力线图中的直线ADG 按比例向下移,成为右图所示的直线ADG,而极限应力曲线的 CG 部分,由于是按照静应力的要求来考虑的,故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。,强调: 1. 2. CG段按照静应力要求考 虑,不需修正。 3. AGC为零件 持久 疲劳 强度曲线。,零件弯曲疲劳强度的综合影响系数的计算:,一、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,1、 大多数转轴中的应力状态,过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于M1和N1点,由于直线上任一点的应力循环特性均相同, M1和N1点即为所求的极限应力点。,a)当工作应力点位于OAG内,极限应力为疲劳极限,按疲劳强度计算,零件
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