机械零件的主要失效形式

• 2.6 温度对机械零件工作能力的影响 • 2.6.1 对摩擦磨损的影响
– 温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大， 甚至凝固
• 2.6.2 温度对材料膨胀和收缩的影响
– 热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见P29表2.5 )
• 2.6.3 温度对材料力学性能的影响
– 高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属 在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有提高，所以低温设备常用有色 金属制造． – 蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象， 如高温高压的管道管壁逐渐变薄 – 改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热 – 松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象 – 改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查
• 刚度计算
– ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］ – 材料对刚度的影响
• 弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合 金钢代替普通钢来提高刚度
φ≤［φ］
• 影响刚度的因素及其改进措施
– 结构对刚度的影响
• 截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的 截面 • 支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见p24图） • 采用加强筋
– – – – – – 可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率， Rt=Nt/N=1-Nf/N 累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率 Ft=Nf/N=1- Rt Rt+Ft=1
• 例题：铆钉联接，两块钢 板材料均为Q215， F=500000N，
– ○可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于
材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能 出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现 这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零 件提出可靠性要求。
– ○可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的
使用期限内连续工作的概率。
• 2.1 载荷和应力的分类
2.2 机械零件的强度
• 2.2.1 两种判断零件强度的方法
– 应力法
• σ ≤[σ ]= σ
lim
/[Sσ ], τ ≤[τ ]= τ
lim
lim
/[Sτ ],
• 2.2.2 静应力强度
– 安全系数法 – Sσ = σ lim / σ ≥ [Sσ ], Sτ = τ
/ τ
≥[Sτ ],
– 失效形式：塑性变形或断裂 – 单向应力时极限应力采用屈服极限σ s, τ s – 复合应力时的塑性材料（ τ max是破坏主因按第三、强度理论， 单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论，公式见P１４） – 脆性材料极限应力采用强度极限σ B, τ B
•
200MPa 180MPa 求：各部分尺寸。 p 400MPa

• 解：分析失效方式及计算公式 1。钉剪切
2 3 4
板挤压 板拉断 板边剪切
F d 2 F 1 2 4 d 4 F p F ds p 2 d s F F (b d ) s 3 s (b d ) F d F 2(e ) s 4 d 2 2 s (e ) 2
• 2.2.3 变应力强度（主要破坏形式是疲劳，见下章）
• 2.2.4 许用安全系数 – 根据工作情况选择，在保证安全可靠的情况下，尽可能小 （具体P15）
• 2.2.5 提高机械零件强度的措施 • （材料、截面积及结构等方法，结构见P16）
• 2.3 机械零件的表面强度
– 在零件整体没出现断裂、塑性变形等情况下，零件表面也可能出现破坏失效，这种失效 由表面强度确定 – 表面强度分：①表面接触强度；②表面挤压强度；③表面磨损强度；
p
• F1= F2= F3= F4= F5 = F 由1： d=18.8 取d为18 由2： S=6.6 取S为7 由3： b=54.7 取b为55 由4：e= 29.3 取e为30
end
采用合适的摩擦副材料，如：钢－青铜 提高表面硬度，降低表面粗糙度 采用有效的润滑剂和润滑方法 防尘、防高温
• 2.3.5 提高表面磨损强度的主要措施
• 2.4 机械零件的刚度
– 刚度：在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
• 2.4.1 刚度的影响
– 刚度不足影响机器的正常工作，加速零件失效（弹性零件则需要较小的刚度）
• 2.7机械零件的振动稳定性
• 2.7.1 振动稳定性
– 失稳：机器或零件发生共振时，振幅会急剧增大，从而丧失振动稳定性， 这种现象称为失稳
• 2.7.2减轻振动的措施
– – – – 采用对称结构，减少悬臂长度、缩短中心距等 对转动零件进行平衡 利用阻尼消耗振动 设置隔振零件
• 2.8 机械零件的可靠性 • 2.8.1 可靠性概念
•
• 2.3.3 表面挤压强度
– 产生原因：局部应力过大 – 失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎 – 计算公式： σp = F/A≤ [σp], A为曲面接触时的投影面积（见P22）
• 2.3.4 表面磨损强度
– – – –
– – – –
计算准则： 滑动速度低，载荷大时p ≤[p] 中速时：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱv ≤[pv] 高速时： pv ≤[pv]；v ≤[v]
– 在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高（具体原因见１８章）
• 2.5 机械零件的冲击强度
• 2.5.1 冲击强度和冲击变形计算（P25）
– 讨论计算公式，并定性地了解结论
• 2.5.2 提高冲击强度和缓冲能能力的措施
– 增加柔性（柔性结构设计、低弹性模量材料、增加橡胶、弹簧垫等） – 避免冲击（予紧防止出现间隙）
•
2.3.1 表面接触强度
– 产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图） – 计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题） – 失效形式：
• 静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形 • 循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20
– 载荷是机械设计中的重要参数，是重要的设计目标之一，也是造成失效的重 要原因
• 2.1.1 载荷分类
– – – – 静载荷：不随时间变化的载荷 动载荷：随时间变化（周期或非周期、大小、方向、位置）的载荷 名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷（F、P、T） 计算载荷：考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载 荷 – Fc=KF ,Pc=KP, Tc=KT(K参见P12)
• 工作能力：不发生失效时的工作限度 • 计算（设计）准则：（要满足的条件）
– ○强度准则：σ ≤［σ ］或τ ≤［τ ］；［σ ］＝或
［τ ］＝τ min/s – ○刚度准则：ｙ≤［ｙ］或θ ≤［θ ］
φ ≤［ φ ］
– ○耐磨性准则：验算压强：ｐ［ｐ］，单位接触面上
单位时间产生摩擦功不太大，控制ｐｖ≤［ｐｖ］
– 强度指标（极限应力）
• 静载荷：最大许用接触应力σ Hmax≤ [σ H]max • 循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料
不发生点蚀现象的极限应力） σ Hmax≤
[σ H]
•
2.3.2 提高表面接触强度的主要措施
– – – – – 增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式） 将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子） 提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中 提高表面硬度，延缓点蚀 采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压
• 2.1.2 应力分类（载荷无法衡量工作极限，需要用应力,见 P12）
– 静应力：只能由静载荷产生 – 变应力 对称循环 脉动循环 可以变载荷产生也可以由静载荷产生(P13) 非对称循环 – 应力循环特性r:最小与最大应力之比 – 变应力的描述：用σmax ，
个来描述
σmin ， σm ， σa ，r五个参数中的任意两