机械零件的疲劳强度与疲劳断裂ppt(共37页)

σ0 /2 σ’m σS
Sσm σ’a
D’S直线上任意点N’ 的坐标为（σ’m ，σ’a ） 由三角形中两条直角边相等可求得 D’S直线的方程为
s'maxsasm ss
说明D’S直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。
当循环应力参数（ σm，σa ）落在OA’G’C以内 时，表示不会发生疲劳破坏。 σa
跟材料对应力的集中敏感系数程度有关 二、尺寸影响： 尺寸系数 s （查图3-11,3-12） 大小不同，则微裂纹就不一样； 三、表面状态
表面状态系数 s （查图3-13）
综合影响系数：
(Ks
)D

ks
s s
其中：kσ ——有效应力集中系数；εσ ——尺寸系数；
βσ ——表面质量系数；
第3章 机械零件的疲劳强度
§3-1 疲劳断裂的特征 §3-2 疲劳曲线和极限应力图 §3-3 影响机械零件疲劳强度的主要因素 §3-4 稳定变应力下机械零件的疲劳强度 §3-5 规律性非稳定变应力的疲劳强度
第3章 机械零件的疲劳强度
主要内容: ① 疲劳断裂的特征 ② 必须掌握材料的疲劳曲线以及极限应力图 ③ 计算稳定变应力下机械零件的疲劳强度 ④ 计算规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强
度
§3-1 疲劳断裂的特征
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 表面光滑
失效过程： ①零件在变应力作用下由制造或材料
等内部缺陷引起的微观裂纹 ②随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩
展，面积减小，应力增加 ③当剩余材料不足以承受载荷时，突
然脆性断裂
截面情况：分成三个区 ①粗糙区 ②光滑区 ③疲劳源
表面粗糙
σB A B C
可用下式描述
srm N N = C (N C≤ N ≤ N D )
σrN σr
潘存云教授研制
D点以后的疲劳曲线呈 一水平线，代表着无限寿命
N=1/4
103 104 N
D N0≈107 N
区其方程为
s s rN r N （ N D )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个
q σ (qτ )
1.0 1400(1250)MPa
α——理论应力集中系数 q σ ——应力集中敏性系数
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
350
0.4
有效应力集中系数kσ
0.3
0.2
0.1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 几何不连续处的圆角半径 r/mm
轴肩圆角处的理论应力集中系数 ασ
疲劳断裂具有以下特征：
▲ 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低，甚至比屈服极限低
潘存云教授研制
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果 ▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
疲劳断裂与静力断裂的比较：
循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳
极限σr来近似代表ND和 σr∞。
于是有 srm N NsrmN0C
CD区间内循环次数N与疲 劳极限srN的关系为
srN
sr
m
N0 N
KNsr
N


sr s rN
m N0
σmax σB A B C
σ 潘存云教授研制 rN σr
对称循环 σm=0
σa
脉动循环 σm=σa =σ0 /2
已知A’(0，σ-1) B’ (σ0 /2，σ0 /2)两点坐
A’
B’ D’
N’
σ-1 σ0 /2
标，求得A’D’直线的方程 为
4潘5存˚ 云教σ授研’a制 45˚
s1sassm
O
AD’直线上任意点代表了一定循 环特性时的疲劳极限。
r
d
D
应力 公称应力公式
ασ （拉伸、弯曲）或ατ（扭转、剪切）
r/d
D/d 2.00 1.50 1.30 1.20 1.15 1.10 1.07 1.05 1.02 1.01
拉
4F
σ=
伸
πd3
0.04 2.80 2.57 2.39 2.28 2.14 1.99 1.92 1.82 1.56 1.42
当应力点落在OA’G’C以外 时，一定会发生疲劳破坏。
A’
B’ GD’
σ-1 σ0 /2
而正好落在A’G’C折线上
潘存云教授研制
时，表示应力状况达到疲 劳破坏的极限值。
45˚
45˚
O σ0 /2 σS
CSσm
公式 s1sassm 中的参数σ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
二、极限应力图（σ m——σ a）
材料的极限应力在同一 应力循环次数N，与循环特 σa
征r的关系称为极限应力图。
其表达：（σ m——σ a）
σ-1
实际应用时常有两种简化方法。
σa
σa
σS
σm
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潘存云教授研制
σS 简化曲线之一
σ-1
潘存云教授研制
45˚
σm
σS
σm
简化曲线之二
简化极限应力线图：
s
2s1 s0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素
一、应力集中：
有效应力集中系数 Ks1q(s1)
s —几何形状决定的理论系数 （ 图3-9） q—敏感系数 （图3-10） 铸铁：(q=0） 定性： 跟材料、形状有关
N=1/4 103 104 N
D N
N0≈107
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的
边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如 果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），
则无论循环多少次，材料都不会破坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段 高周疲劳
N
加载到最大值时材料被拉断。 σ 潘存云教授研制
显然该值为强度极限σB 。
在AB段，应力循环次数
t
<103 σmax变化很小，可以近似
看作为静应力强度。
BC段，N=103~104，随着N ↑ → σmax ↓ ,疲劳现象明显。 因N较小，特称为 低周疲劳。
实践证明，机械零件的疲σmax
劳大多发生在CD段。
应力： 断口： 次数：
疲劳断裂
静力断裂
不管脆性材料或塑性材料，
§3-2 疲劳曲线和极限应力图
一、 s —N疲劳曲线
劳极用限参，数通σ过m实ax表验征，材可料得的出疲如σσmaBx
AB C 潘存云教授研制
图所示的疲劳曲线。称为：
s —N疲劳曲线
在原点处，对应的应力
循环次数为N=1/4，意味着在 N=1/4 103 104