第5章 零件的疲劳强度分析(补充)-学生分析
零件疲劳强度
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机械零件的疲劳强度
三、极限应力线图（等寿命疲劳曲线）
机械零件材料的疲劳特性除用s－N曲线表示外，还可用极限应力线图来描述。
该曲线表达了不同循环特性时疲劳极限的特性。
在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。
σa
A'
D'
G'
σ-1 σ0/2
45º
45º
o σ0/2
σS σB
s 1e
OM OK s a ses m
k N s 1
Kss a ss m
N' 135º
C σm
机械零件的疲劳强度
2、平均应力为常数m=C （弹簧）
当载荷加大到使应力达到M‘ 时刚好要产生 疲劳破坏，故安全系数S为：
SkNs1(Kss)sm Ks(smsa)
σa
A M' D
M
o
G N'
N
C σm
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G
N
N'
135º
C σm
机械零件的疲劳强度
1、循环特性系数为常数：r=C （回转轴）
σa
A
作KM / /AG 线：
kNσ-1/Kσ
K
σ'a σa
M'
D
M
G
N
o σm
σ'm σS
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s
s
' a
s
' m
s
' m
s
' a
sa sm sm sa
OM ' OA
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第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
疲劳强度基础知识及分析计算实例[知识探索]
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成时间推迟。先进行高应力作用则易形成裂纹，后续低应力能使
裂纹扩展。
对于随机载荷下的疲劳试验结果表明，由于“加速”和
“迟滞”效应相互综合。最终结果与加载顺序差异不大。 （但统2）计结累果积表损明伤D的D=平均Nn值ii ,试验D =数1.据0。大若多将数D介看于作0为.3随～机3.0变之量间。，则
D服从对数正态分布
疲劳曲线
1）材料的疲劳极限：寿命N趋于无穷大时所对应的应力的极 限值.
“无穷大”一般被定义为： 钢材，107次循环；
焊接件，2×106次循环 有色金属，108次循环。
疲劳曲线 1）疲劳曲线
是在应力比 r 一定时，表示疲劳极限与循环次数 N 之间关系的曲线。
疲劳曲线 基本S－N曲线
R=-1 (Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。用一组 标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验， 得到S-N曲线。
R=-1
Sa
Sm>0, 对疲劳有不利的影响； Sm<0, 压缩平均应力存在，对疲劳 是有利的。 喷丸、挤压和预应变残余压应力 提高寿命。
R 增大
Sm<0 Sm=0 Sm>0
N
疲劳曲线
2） Sa-Sm关系 如图，在等寿命线上， Sm，Sa； SmSu。
Haigh图: (无量纲形式) N=107, 当Sm=0时，Sa=S-1；
疲劳曲线
S－N曲线数学表达式
1) 幂函数式
Sm.N=C
m与C是与材料、应力比、加载方 式等有关的参数。
二边取对数，有: lg S=A+B lgN
S-N间有对数线性关系； 参数 A=LgC/m, B=-1/m。
疲劳曲线
2) 指数式 ： ems.N=C
疲劳强度分析
r＝-1
107
N
选取以平均应力m为横轴, 应力幅a为纵轴的坐标系
a
对任一循环,由它的a和m
P
a
便可在坐标系中确定一个对应
的P点
O m
m
若把该点的纵横坐标
相加,就是该点所代表的应
力循环的最大应力即 a m max
由原点到P点作射线OP其斜率为
（3）构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即 max= min .
若将静应力视作交变应力的一种特例,则其循环特征
r 1 a 0
m max
O
min=0
max
t
交变应力
随时间周期变化应力。
应力比
R
m in（循环特征）
m ax
R 1 对称循环，R 0 脉动循环，R 1 静载荷
例 上例中的阶梯轴在不对称弯矩和的交替 作用下，并规定。试校核轴的疲劳强度。
解：（1）求 max 、 min 、 a 、 m 。
max
M max W
1200
191MPa
40 103 3
32
r5
m in
1 4
m
ax
47.8MPa
40
50
a
1
2
max
1， 1
式中 1 、 1 分别为光滑小试件在弯曲、
扭转时的疲劳极限； 1， 、 1，分别为光滑大
试件在弯曲、扭转时的疲劳极限 。
（3）构件表面质量的影响
加工精度在表面形成切削痕迹会引起不同 程度的应力集中。加工表面的影响用表面
机械零部件的疲劳寿命分析与优化设计
机械零部件的疲劳寿命分析与优化设计概述机械零部件的疲劳寿命分析和优化设计对于确保机械设备的可靠性和使用寿命至关重要。
疲劳失效是导致机械零部件损坏和事故的主要原因之一。
本文将介绍疲劳寿命的概念和常见分析方法，并探讨如何通过优化设计提高零部件的疲劳寿命。
疲劳寿命概念疲劳寿命是指机械零部件在循环应力的作用下失效之前能够承受的循环应力次数。
循环应力是指零部件在交变荷载作用下所受到的应力变化。
疲劳寿命可以通过应力-寿命(S-N)曲线来表示，该曲线描述了应力水平和所能承受的循环次数之间的关系。
疲劳分析方法1. 应力分析：对于机械零部件，必须首先进行应力分析，确定零部件在使用条件下所受到的应力水平和变化。
2. 材料特性分析：机械材料的疲劳寿命与其材料特性密切相关。
通过对材料的化学成分和热处理工艺等进行分析，可以确定材料的疲劳强度和寿命。
3. 循环载荷分析：确定作用在机械零部件上的循环载荷，包括振动载荷、冲击载荷等。
在实际情况中，往往会有多种载荷同时作用在零部件上，需要综合考虑不同载荷对疲劳寿命的影响。
4. 疲劳寿命预测：根据应力分析和材料特性，利用疲劳寿命预测模型，可以预测机械零部件在给定载荷下的疲劳寿命。
优化设计方法1. 材料选择：选择具有较高疲劳强度和寿命的材料，可以提高零部件的疲劳寿命。
例如，使用高强度钢材代替低强度钢材，可以提高零部件的抗疲劳能力。
2. 结构设计：通过优化零部件的结构设计，可以降低应力集中和应力变化幅度，从而延长疲劳寿命。
例如，合理设计零部件的圆角和倒角，可以缓解应力集中现象。
3. 表面处理：通过表面处理方法，如喷砂、磨削等，可以改善零部件表面的粗糙度和残余应力分布，提高疲劳强度。
4. 使用条件优化：调整机械设备的使用条件，如减小振动幅度、合理控制载荷大小等，可以减小零部件的疲劳应力，延长其寿命。
案例分析以一台发动机连接杆为例，进行疲劳分析和优化设计。
首先，进行应力分析并确定连接杆在使用条件下的应力水平和变化。
机械设计中的疲劳强度分析
机械设计中的疲劳强度分析在机械设计领域，疲劳强度是一个至关重要的考量因素。
当机械零部件在循环载荷作用下工作时，即使所承受的应力远低于材料的屈服强度，经过一定的循环次数后，也可能会发生突然的断裂，这种现象被称为疲劳失效。
疲劳失效是机械零件和结构失效的主要形式之一，它往往会带来严重的后果，如设备损坏、生产停滞甚至人员伤亡。
因此，在机械设计过程中，对疲劳强度进行准确的分析和评估具有极其重要的意义。
要理解疲劳强度，首先需要了解疲劳破坏的特点。
与静态载荷下的破坏不同，疲劳破坏具有以下几个显著特征。
其一，疲劳破坏是在循环载荷作用下逐渐发展的，其破坏过程通常经历了裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段。
在初始阶段，微观裂纹在材料表面或内部的缺陷处形成，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，直到达到临界尺寸时发生突然的断裂。
其二，疲劳破坏时，零件所承受的最大应力通常远低于材料的抗拉强度，甚至可能低于屈服强度。
这是因为疲劳破坏是由循环应力引起的累积损伤导致的，而不是一次性的过载。
其三，疲劳破坏对零件的表面状态和内部缺陷非常敏感。
零件表面的粗糙度、划痕、腐蚀等都会加速疲劳裂纹的萌生和扩展，而内部的夹杂物、气孔等缺陷也会降低材料的疲劳强度。
那么，如何对机械零件的疲劳强度进行分析呢？目前，常用的方法主要有两种：试验法和分析法。
试验法是通过对实际零件或试样进行疲劳试验来确定其疲劳强度。
这种方法直观可靠，但成本较高，且试验周期长。
在疲劳试验中，通常将试样或零件在特定的加载条件下进行循环加载，直到发生疲劳破坏。
通过记录加载次数和应力水平，可以得到零件的疲劳寿命曲线，即 SN 曲线。
SN 曲线反映了应力水平与疲劳寿命之间的关系，是评估零件疲劳强度的重要依据。
然而，由于试验条件的限制，试验法往往难以完全模拟零件在实际工作中的复杂载荷和环境条件。
分析法则是基于材料的力学性能和零件的几何形状、载荷条件等，通过理论计算或数值模拟来预测零件的疲劳强度。
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
强度极限越 高的钢敏感系数 q值越大，对应 力集中越明显。
铸铁：
若同一剖面上有 几个应力集中源，则 应选择影响最大者进 行计算。
机械零件的疲劳强度
3.3.2 尺寸的影响 零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。 尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数
表示，
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机械零件的疲劳强度
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2020/11/18
机械零件的疲劳强度
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机械零件的疲劳强度
3.2疲劳曲线和极限应力图 σ 3.2.1疲劳曲线（σ-N曲线）
N — 应力循环次数 σrN — 疲劳极限（对应于N） N0 — 循环基数（一般规定为
σrN
σr
）
σr —疲劳极限（对应于N0）
机械零件的疲劳强度
（2）绘制零件的许用极限应力图
S点不必进行修正 A′（0，278.5） B′（400，222.8） S （1000，0）
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机械零件，278.5）
A′（0，278.5） B′（400，222.8） S （1000，0）
B（400，400）
E
M＇
M（520，280）
B′（400，222.8）
E′
135°
O
σm
S（1000，0）
M点落在疲劳安全区OA′E′以外，该零件发生疲劳破坏。
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机械零件的疲劳强度
例3 某轴只受稳定交变应力作用，工作应力
材料的机械性能
，
，轴上危险截面的
，
，
。
（1）绘制材料的简化极限应力图；
（2）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿
疲劳强度分析
疲劳强度疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。
疲劳的分类：(1)按研究对象:材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次:高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态:单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况:恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境:常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征：（1）在交变裁荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限（b）的情况下，破坏就可能发生。
（2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。
（3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。
（4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。
实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即(I)裂纹(成核)形成，(II)裂纹扩展，(III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂。
（5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。
图1-1及图l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。
图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源)，疲劳裂纹扩展区(常称光滑区)及快速断裂区(也称瞬时破断区，常呈粗粒状)。
§1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。
微观分析：用光学显微镜或电子显微镜(包括透射型及扫描型)研究断口。
图1-1 磨床砂轮轴的典型断口图1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口1、断口宏观分析：(I) 疲劳源：是疲劳破坏的起点，常发生在表面，特别是应力集中严重的地方。
疲劳强度的计算
摘要：零件的疲劳强度是一个值得深刻探讨的问题，在众多领域有着至关重要的地位，零件的疲劳强度决定了其疲劳寿命，也就决定了对零件的选择和对这个器件的设计。
本论文在参考多方资料，以及在平日学习中积累总结的经验之后，对零件疲劳强度的计算有了一些结论，得出影响导致零件疲劳的原因有破坏应力与循环次数之间量的变化影响，静应力的影响，应力集中的影响，零件绝对尺寸的影响，表面状态与强化的影响等方面。
在分析零件疲劳产生原因之后，得出许多关系变化图与计算方法。
运用这些计算方法，对零件疲劳极限进行了计算上的确定。
并总结出疲劳强度在一些条件下的相关计算方法，如在简单应力状态，复杂应力状态下的不同。
对疲劳强度安全系数的确定也进行了一系列分析，最后，尝试建立了疲劳强度的统计模型。
Abstract：The fatigue strength of parts is a worthy of deep discussion,have a vital role in many fields, the fatigue strength of parts determines its fatigue life, also decided on the part of the selection and the device design.This paper in reference to various data, and after the usual study accumulation experience, calculation of the fatigue strength of parts have some conclusion, that caused damage should change between force and the number of cycles of the causes of fatigue parts, the influence of static stress, effect of stress concentration, affects the absolute size, surface state and strengthening effect etc.. After the analysis of fatigue causes, draw many relationship graph and calculation method. Using the calculation method of fatigue limit, determined the calculation. And summarizes the related calculation under some conditions the method of fatigue strength, as in the simple stress state, the complex stress state under the different. Determination of the fatigue strength safety factor is also carried out a series of analysis, finally, try to establish a statistical model of fatigue strength.关键词：零件疲劳寿命疲劳强度Key word:Spare parts Fatigue life Fatigue strength目录1、疲劳强度的基本规律…………………………………………………1.1、破坏应力和循环次数之间量的关系………………………………1.2、疲劳曲线方程式……………………………………………………1.3、静应力对疲劳强度的影响………………………………………………………1.4、应力集中对疲劳强度的影响……………………………………………………1.5、零件绝对尺寸对疲劳强度的影响………………………………………………1.6、表面液态与强化对疲劳强度的影响……………………………………………2、零件疲劳极限的确定…………………………………………………2.1、试验确定……………………………………………………………2.2、计算-试验确定……………………………………………………3、疲劳强度条件…………………………………………………………3.1、简单应力状态………………………………………………………3.2、复杂应力状态………………………………………………………4、疲劳强度安全系数的确定……………………………………………4.1、安全系数的基本理论………………………………………………4.2、复杂应力状态下的疲劳强度安全系数……………………………4.3、不稳定载荷作用时疲劳强度安全系数的确定……………………5、疲劳强度的统计模型…………………………………………………6、总结……………………………………………………………………1、疲劳强度的基本规律疲劳破裂时机器零件破坏的主要原因，并且由于破裂时突然发生的，往往会造成严重的后果，因此对零件疲劳强度进行分析计算时很重要的。
机械设计之机械零件的疲劳强度
机械设计之机械零件的疲劳强度引言在机械设计中，疲劳强度是评估机械零件是否能够在长时间使用过程中承受载荷和弯曲等作用力的重要指标之一。
疲劳强度不仅关乎机械零件的寿命和可靠性，还直接影响到机械装置的安全性能。
本文将介绍机械零件的疲劳强度分析方法，包括疲劳寿命预测、疲劳极限分析、疲劳强度评估等内容。
疲劳寿命预测疲劳寿命是机械零件在特定载荷下能够承受的循环次数。
疲劳寿命预测的目的是为了确定机械零件在特定工作条件下的可靠性。
常用的疲劳寿命预测方法有下面几种：1. 基于SN曲线的方法SN曲线（Stress Number Curve）揭示了应力与循环次数之间的关系。
通过测试材料在不同应力水平下的循环寿命，并绘制SN曲线图，可以预测不同应力水平下的寿命。
这种方法适用于不同材料在常温下的疲劳寿命预测。
2. 基于应力途径的方法应力途径是指机械零件在循环载荷下的相对应力历程和持续时间。
通过测量机械零件在不同应力途径下的寿命，并绘制应力途径图，可以预测不同应力途径下的寿命。
这种方法适用于复杂加载情况下的疲劳寿命预测。
3. 基于损伤积分的方法损伤积分是指在单位时间内损伤累积的指标。
通过测量机械零件在不同加载条件下的损伤积分，并与材料的损伤裕度相比较，可以预测机械零件的寿命。
这种方法适用于快速变化的加载情况下的疲劳寿命预测。
疲劳极限分析疲劳极限是指机械零件在循环载荷下的最大承载能力。
疲劳极限分析的目的是为了确定机械零件能够承受的最大载荷和疲劳寿命。
常用的疲劳极限分析方法有如下几种：1. 基于拉伸试验的方法拉伸试验是测量材料在拉伸载荷下的应变和应力变化的试验。
通过拉伸试验和应力-应变曲线，可以确定材料的疲劳极限。
这种方法适用于静态或低周疲劳加载条件下的疲劳极限分析。
冲击试验是测量材料在动态或高速加载条件下的力学性能的试验。
通过冲击试验和载荷-位移曲线，可以确定材料的疲劳极限。
这种方法适用于动态或高速加载条件下的疲劳极限分析。
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
2021
14
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
2021
15
2021
16
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
2021
17
图5-1 疲劳断口示意图
2021
18
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
2021
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图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
2021
40
图5-11 锯齿状断口
2021
41
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
2021
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机械零件疲劳强度若干问题的研究共3篇
机械零件疲劳强度若干问题的研究共3篇机械零件疲劳强度若干问题的研究1机械零件疲劳强度若干问题的研究随着现代工业的不断发展，机械零件的质量和性能也越来越受到关注。
疲劳强度是机械零件的一个十分重要的性能指标，对于机械零件的使用寿命和安全性有着至关重要的影响。
本文将从多个方面探讨机械零件疲劳强度的若干问题。
一、定义与分类疲劳强度指机械零件在交变载荷作用下能够承受的循环载荷次数的能力。
疲劳强度的计算是通过寻找一个等效应力而实现的，等效应力能够使这个零件承受的最大动态应力与静态应力等效，并且在动态载荷加载时的峰值等效于静载荷时的应力水平。
基于不同零件的应用环境和使用条件，疲劳强度可以分为不同的类型：低周疲劳、中周疲劳和高周疲劳。
二、影响因素机械零件疲劳强度的大小和性质受到多个因素的影响，其中一些最常见的因素包括：1.载荷水平和类型：所承受的载荷类型和水平，是影响疲劳强度的最重要因素之一。
疲劳强度随载荷的增大而降低，且不同类型的载荷对零件的疲劳强度的影响是不同的。
2.零件材料的特性：材料的强度、韧性、塑性、硬度等特性将直接影响疲劳强度。
通常来说，较高的强度和韧性意味着更高的疲劳强度。
3.制造过程和工艺：制造过程和加工工艺也会对机械零件的疲劳强度产生影响。
疏松、氧化、裂纹和缺陷等都会导致零件的疲劳强度下降。
4.使用环境和条件：工作环境的温度、湿度、腐蚀性等也能影响机械零件的疲劳强度。
同时，安装方式、动态应力和弯曲角度等因素也都会影响到机械零件的疲劳强度。
三、疲劳强度测试与研究方法机械零件疲劳强度测试是对机械零件的耐久性能进行评估的过程。
如今，有许多不同的测试方法和技术，可以用于研究机械零件的疲劳强度。
其中一些最常用的方法包括：1.拉伸试验：拉伸试验是一种常见的疲劳强度测试方法，可以用于测试材料的强度和延展性等性质。
2.旋转疲劳试验：旋转疲劳试验是一种经典的疲劳测试方法，尤其适用于轴承和齿轮的疲劳强度测试。
3.弯曲疲劳试验：弯曲疲劳试验可以用于测试梁、桥梁、飞机翼和汽车车身等的疲劳强度。
机械零件疲劳强度影响因素分析及对策探究
机械零件疲劳强度影响因素分析及对策探究作者：桂松来源：《科学与财富》2016年第31期摘要：机械零件疲劳强度的分析，是零件进行疲劳可靠性设计的重要内容之一。
随着科学的发展，疲劳研究已经逐步向研究材料内部结构发展。
而在疲劳设计中，将材料的名义强度转化为具体零件在工作环境下的疲劳强度，是机械设计中不可回避的问题。
影响零件疲劳强度因素很多，本文介绍了几种常遇到的影响因素，其中着重介绍了表面加工、应力集中及尺寸效应三种因素的影响系数和影响机对零件疲劳强度的影响。
对相关机械零部件的疲劳强度的研究有一定的借鉴作用。
关键词：机械零件；可靠性；平均应力；疲劳强度0.引言疲劳研究一直以来是国内外的一个焦点。
机械零件疲劳强度的分析，是零件进行疲劳可靠性设计的重要内容之一。
为提高机械设备性能，促使其经济与社会效益的充分发挥，应将疲劳强度设计当做重要内容加以落实。
影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多，是至今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本原因，因此对疲劳强度或疲劳寿命影响因素的深入研究，仍是十分有意义的工作。
1.机械零件疲劳主要影响因素分析及对策1.1表面加工的影响由于机械零件的疲劳裂纹的最大应力大多产生于材料的表层，因此材料本身的表面质量对于疲劳强度的影响显著。
目前机械零件大都为弹簧材料，在不断的轧制、拉拔和卷制中会出现裂纹，此外，机械零件表面原本不太显著的伤痕、斑点等也是日后加剧弹簧疲劳断裂的潜在因素。
材料表面的光滑与粗糙是衡量疲劳强度的重要指标。
越粗糙，应力集中越小，由此所引起的疲劳强度就越高。
材料的粗糙度通过疲劳极限起作用。
不考虑其他因素，机械零件粗糙度高，疲劳极限就低。
因此，对机械材料的表面进行强压、滚压、磨削以及抛丸等，能有效地增强材料表面的光滑度，提高材料的疲劳强度系数。
常用的方法有两种，表面热处理和表面机械强化。
表面热处理即通过高频淬火效应、氮化反映的作用下，采用渗碳、氰化等措施，提高机械构件表层材料的抗疲劳强度能力。
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度1. 引言疲劳是机械零件在长期循环载荷下发生破坏的一种现象。
在工程实践中，对机械零件的疲劳强度进行准确评估和预测是至关重要的。
本文将介绍机械零件的疲劳强度及其评估方法。
2. 疲劳强度的定义疲劳强度是指材料在循环载荷作用下承受的最大应力达到相应标准下的寿命。
在机械零件的设计和使用中，疲劳强度决定了零件的可靠性和寿命。
3. 影响疲劳强度的因素疲劳强度受多种因素影响，包括材料的性能、应力水平、循环载荷的频次、温度等。
以下是影响疲劳强度的主要因素：3.1 材料的性能材料的强度、韧性、硬度、断裂韧性等性能对疲劳强度有重要影响。
一般情况下，强度越高、韧性越佳的材料具有更高的疲劳强度。
3.2 应力水平应力水平是指机械零件在工作状态下承受的最大应力值。
应力水平越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.3 循环载荷的频次循环载荷的频次是指机械零件在工作过程中受到应力循环的次数。
频次越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.4 温度温度对材料的性能有直接影响，高温会导致材料的强度降低，从而影响疲劳强度。
4. 评估疲劳强度的方法为了准确评估机械零件的疲劳强度，工程师可以采用以下几种方法：4.1 经验公式法经验公式法是基于实验数据和经验公式来评估疲劳强度的一种方法。
通过统计分析和归纳，可以得到适用于不同材料和零件的经验公式，并进行计算和预测。
4.2 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机建立机械零件的有限元模型，并通过有限元分析软件对零件进行疲劳强度分析。
该方法可以较精确地评估零件的疲劳强度，但需要依赖于准确的材料性能和载荷条件。
4.3 实验方法实验方法是通过设计和进行疲劳试验来评估机械零件的疲劳强度。
通过在实验中施加不同的载荷条件和监测零件的变形和破坏情况，可以获得零件的疲劳强度。
5. 结论机械零件的疲劳强度是一个复杂的问题，在机械设计和使用中具有重要的意义。
疲劳强度的评估可以通过经验公式法、数值模拟方法和实验方法来进行。
疲劳分析介绍PPT学习教案
会计学
1
内容提要
1.概述 2.交变应力 3.S-N曲线 4.影响因素 5.疲劳寿命计算方法 6.SN方法介绍
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1.概述-疲劳失效危害
19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴 肩处多次发生破坏；
1954年, 英国慧星号喷气客机坠入地中海 （机身舱门拐角处开裂）；
Kt
max 0
σmax为最大应力，σ0为载荷除以缺口处 净截面积所的得平均应力（名义应力）
。
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4.3缺口形状效应-疲劳缺口系数
除非是高强度材料，零件的疲劳极限 并非随 Kt降低 想象中 那样大 ，即应 力集中 使零件 疲劳强 度降低 的倍数 和它使 零件应 力提高 的倍数 并不相 同。此 时应力 集中系 数就无 法真实 地反映 缺口对 疲劳强 度的影 响。因 此常用 疲劳缺 口系数Kf（fatigue notch factor，又被称为有效应力集中系数） 来更直 接地反 映疲劳 强度的 真实的 降低程 度。
4.疲劳寿命的影响因素
Factors Influencing Fatigue Life 平均应力
Mean stress
尺寸效应
Component size
缺口与不连续形状
Notches and discontinuities
表面处理及粗糙度
Surface treatment & finish
电镜照片－铝合金疲劳辉纹图
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1.概述-疲劳研究发展简史
19世纪40年代，铁路机车车轴的疲劳破坏问 题。德国A.沃勒通过旋转弯曲试验获得车轴 疲劳结果，把疲劳和应力联系起来，提出 疲劳极限的概念，奠定了常规疲劳分析的 基础。
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度
Fn — 载荷；
ZE—材料系数
30
接触疲劳强度的条件：
σH ≤[σH ] =
σHlim
SH
其中： σHlim—材料的接触疲劳极限 对于钢材σHlim≈2.76HB-70 (MPa)
S H —安全系数， S H≥1
机械零件的疲劳强度
31
例：图示为由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成 的摩擦轮传动。 已知：D1=100mm,D2=140mm,b=50mm,小轮主动； 主动轴传递功率P=5kW、转速n1=500r/min，传 动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数,f=0.15。 试求：（1）所需的法向压紧力N；（2）两轮接 触处 最大接触应力；（3）若摩擦轮的材料硬度 HB=300,试校核接触强度。
机械零件的疲劳强度
1
本章属于备查章节，它包含了许多有 关机械设计（零件）基本知识与基本概念， 例如：机械零件强度的基本概念、机械零件 的耐磨性、常用材料、工艺性、公差与配合 等。本章采取部分内容插入有关章节介绍的 方法。
本章的主要任务是完成由研究常用机构
向研究通用零件的过渡。
机械零件的疲劳强度
2
●机械零件设计概述
（表面光滑区）
脆性断裂区
（粗粒状区）
机械零件的疲劳强度
18
疲劳曲线
——表示应力σ与循环次数N之间的关系曲线。
疲劳曲线的特点：σrN
N0——循环基数
有限寿命区
无限寿命区
HB ≤350 ＞ 350
N0 107 25×107
σr
——持久极限
o
对称循环 脉动循环
σr
σ-1
σ 机械零件0的疲劳强度
σr
浅谈机械零件的疲劳强度
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网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：浅谈机械零件的疲劳强度学习中心：层次：专科起点本科专业：机械设计制造及其自动化年级：年季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日内容摘要本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。
关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性目录内容摘要................................................................................ 错误!未定义书签。
引言........................................................................................ 错误!未定义书签。
1 变应力的分类.................................................................... 错误!未定义书签。
2 变应力参数........................................................................ 错误!未定义书签。
3 疲劳曲线............................................................................ 错误!未定义书签。
4 影响疲劳强度的因素........................................................ 错误!未定义书签。
4.1应力集中的影响.............................................................. 错误!未定义书签。
汽车制造与装配技术专业《疲劳强度》
表面划痕
能引起应力 集中的缺陷
改善零件结构形状，防止尖角等应力集中结构
改善方法： 提高零件外表光洁度，降低外表粗糙度 零件外表强化：喷丸、外表淬火等
在汽车的维修、保养过程中，应及时排除隐患，以保证车辆的平安运行 。
第三页，共五页。
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内容总结
疲劳强度。疲劳断裂都是突然发生的，具有很大的危险性。例如：汽车的钢板弹簧或前桥发生疲劳而突然断裂，就会 造成车毁人亡的重大交通事 故。改善方法： 提高零件外表光洁度，降低外表粗糙度。零件外表强化：喷丸、外表淬火等。在汽车的维修、保养过程中，应及时排除隐患，以保证 车辆的平安运行。谢谢您的观看
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金属材料的力学性能
疲劳强度
2疲劳强度 ➢材料经无限次交变载荷作用而不破坏的最大应力，
➢ 称为疲劳强度，用〔σ-1〕表示。单位MPa。
疲劳曲线示意图
工程上规定
钢铁材料的循环基数为107； 有色金属、超高强度钢为108。
第二页，共五页。
金属材料的力学性能
疲劳强度
疲劳断裂的原因
材料夹杂
金属材料的力学性能
疲劳强度
1疲劳现象
汽车上的齿轮、连杆、弹簧、发动机曲轴等零件，在工作过 程中受到大小和方向都随时间作周期性变化的交变载荷作用， 即使应力远远低于材料的屈服强度，但经过一定循环次数后， 也可能发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。
疲劳断裂都是突然发生的，具有很大的危险性。
例如：汽车的钢板弹簧或前桥发生疲劳而突然断裂，就会 造成 车毁人亡的重大交通事故。
第5章 零件的疲劳强度分析(补充)-学生
•
•
Mahle公司的活塞销试验
• 右图为试验和分析的关系性
内燃机零件强度 分析与疲劳试验
参考书：《材料力学—金属疲劳》 《疲劳强度》 《结构疲劳强度》
静强度计算
• • • 用于受静载零件和不太重要受变载零件 可用于对受变载荷零件的初步计算。 静载下零件失效（failure）形式：⑴屈服 ⑵断裂 （脆性或者韧性断裂） 第一强度理论：最大拉应力（最大主应力）：用于脆 性金属，如铸铁 第三强度理论：最大剪应力：塑性材料，屈雷斯加应 力（ Tresca） 第四强度理论：歪形能理论，米塞斯应力（ von mises）
• 任意的应力循环（随机载荷）怎样应用？
复杂载荷的处理——载荷计数
随机疲劳载荷等效处理——载荷计数（循环次数）
• • 各种计数方法：峰值计数、幅值计数、雨流计数 雨流计数法最常用
雨流计数
疲劳试验
• 0、整机试验复杂，成本高，优先零部件试验 • 1、零部件试验中，真实载荷复杂，难以施加。可施加根据载
• Sapphire 轴承试验：液压油调整轴承载荷 • 用于轴承轴承可靠性，但难以和发动机测试关联
活塞销磨损试验
• • • 要体现销座的弯曲变形 油雾和点滴泵润滑 电液伺服高频模拟销孔合力（气体力、惯性力、连 杆力），保证合力方向 浮式销慢速旋转 仍难以和发动机试验关联，可考察表面粗糙度、处 理度
荷计数的得到的等效载荷，多为正弦载荷。计数组的个数、载 荷施加顺序、载荷施加频率对试验结果是有影响的 • 2、摩托车和汽车的道路模拟试验机。能再现整车受到的实际载 荷，还能滤掉对疲劳影响很小的载荷（如107），加速疲劳试验 进程 3、摩托车和汽车的在试车场进行耐久试验。试车场包含了可能 遇到的典型路面：大正弦路、比利时路、搓板路 4、本田摩托（上海研究所）的100米“典型路面”测量路谱， 得到载荷谱，然后进行耐久试验？
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•
•
Mahle公司的活塞销试验
• 右图为试验和分析的关系性
活塞销孔疲劳
高压腔压力：0～25 MPa 低压腔压力：0～5 MPa 波形：正弦，相位差180° 频率：15 Hz 107 次循环需8X24h
连杆疲劳强度试验（Rig Test）
• 电液伺服试验台（大头动力润滑，磨损不能模拟）
滑动轴承零部件试验（Rig testing）
• Underwood 轴承试验（多用）：偏心块调整轴承载 荷
• Sapphire 轴承试验：液压油调整轴承载荷 • 用于轴承轴承可靠性，但难以和发动机测试关联
活塞销磨损试验
• • • 要体现销座的弯曲变形 油雾和点滴泵润滑 电液伺服高频模拟销孔合力（气体力、惯性力、连 杆力），保证合力方向 浮式销慢速旋转 仍难以和发动机试验关联，可考察表面粗糙度、处 理度
•
•
4通道轮胎耦合道路模拟试验机（4-poster）
MTS和Instron 电液伺服试验设备）
16通道轴耦合道路模拟试验机
2通道摩托车轮胎耦合道路模拟试验机
Honda的3通道轴耦合道路模拟试验机
曲轴疲劳强度试验方法
• Rig testing：曲柄销圆角应力 • 钢轴：107 球铁：5x106 • 几个小时完成疲劳试验
荷计数的得到的等效载荷，多为正弦载荷。计数组的个数、载 荷施加顺序、载荷施加频率对试验结果是有影响的 • 2、摩托车和汽车的道路模拟试验机。能再现整车受到的实际载 荷，还能滤掉对疲劳影响很小的载荷（如107），加速疲劳试验 进程 3、摩托车和汽车的在试车场进行耐久试验。试车场包含了可能 遇到的典型路面：大正弦路、比利时路、搓板路 4、本田摩托（上海研究所）的100米“典型路面”测量路谱， 得到载荷谱，然后进行耐久试验？
零件的载荷谱和应力谱
• • • 动态应变仪可测量零件应力历程 有限元分析可计算零件应力历程 如何计算疲劳强度？？
简单应力循环（对称和脉动）
• 最大应力，最小应力（应力幅、平均应力，应力比）
Smax Smin Sm 2
Smax - Smin Sa 2
Smin R Smax
随机应力循环
• 随机应力和简单应力的如何等效？
S-N曲线
• • S-N曲线：对称循环应力下的试验，疲劳主要取决于 应力循环次数，受应力波形、频率影响不大， 有限寿命和无限寿命： 钢：107 次：无限寿命 铝：人为指定，如2X107 或5X107
材料的疲劳极限
• 一定的循环特征（应力比R=-1，或R=0 ），一定的循 环次数（钢107,铝要指定)下的最大应力（对R=-1来 说就是应力幅）
含平均应力的疲劳极限图的简化形式
• Gerber抛物线公式
•
Goodman直线公式，偏保守，简单，最常用
•
其他公式（折线）
Goodman-Smith、Haigh曲线
QT800的疲劳极限图
•
•
• • •
以平均应力为横坐标，最大应力（=平均应力+应力幅）为纵坐 标得点L，从原点过L作直线交于点F，得安全系数。n F / a 2 max 2 直线斜率k一定，则R一定。 k max m max min 1 R 用的是同一R下，应力幅比值。 问题：疲劳极限多是弯曲试验得到，拉压，扭转疲劳极限是不 同的，非弯曲受载应用该弯曲疲劳极限图不合理。 注意：安全系数有不同的定义方法
S（ -1 R -1)
S （ 0 R 0)
材料疲劳强度的估算
高周疲劳和低周疲劳
• 低周疲劳、高周疲劳、安全寿命 • 高周疲劳：S-N曲线 低周：e-N曲线
疲劳计算
如平均应力不为0，修正S—N曲线 （Smith、 Goodman、Goodman-Smith、Haigh、等寿命曲线等）
• 左Smith图纵坐标：σmax, σmax 右图纵坐标：σa
• • •
疲劳强度计算
• • • • 疲劳破坏：零件在变应力下的失效 金属材料的疲劳极限远小于强度极限，约1/3左右 45钢 σ-1=260MPa， σb=600MPa 疲劳破坏没有明显的塑性变形，疲劳断口的典型形貌 特征 断口分析：电镜扫描（SEM）+能谱分析（EDS）
疲劳强度计算
• • • • S-N曲线 Goodman曲线（Goodman-Simth,Haigh图） 雨流计数法 Miner准则
• 任意的应力循环（随机载荷）怎样应用？
复杂载荷的处理——载荷计数
随机疲劳载荷等效处理——载荷计数（循环次数）
• • 各种计数方法：峰值计数、幅值计数、雨流计数 雨流计数法最常用
雨流计数
疲劳试验
• 0、整机试验复杂，成本高，优先零部件试验 • 1、零部件试验中，真实载荷复杂，难以施加。可施加根据载
内燃机零件强度 分析与疲劳试验
参考书：《材料力学—金属疲劳》 《疲劳强度》 《结构疲劳强度》
静强度计算
• • • 用于受静载零件和不太重要受变载零件 可用于对受变载荷零件的初步计算。 静载下零件失效（failure）形式：⑴屈服 ⑵断裂 （脆性或者韧性断裂） 第一强度理论：最大拉应力（最大主应力）：用于脆 性金属，如铸铁 第三强度理论：最大剪应力：塑性材料，屈雷斯加应 力（ Tresca） 第四强度理论：歪形能理论，米塞斯应力（ von mises）
大应变低周疲劳寿命主要由应变控制（e-N曲线）
影响疲劳强度的因素
多种载荷下的疲劳寿命（S-N曲线的应用）
疲劳损伤线性累积（Miner法则）
复杂载荷的处理
• 疲劳主要取决于最大、最小应力（应力幅和 平均应力），应力循环的次数。波形、频率 对疲劳影响较小（正弦和三角波差别不大） • 平均应力为零的正弦应力：S-N曲线 • 平均应力不为零的正弦应力：Goodman图 • 多个正弦应力的作用：Miner准则