机械零件的疲劳设计与应用
机械零件的磨损机理与疲劳分析
机械零件的磨损机理与疲劳分析引言：机械零件是构成各种机械设备的核心组成部分，其质量和可靠性直接影响着整个设备的性能和寿命。
在机械运动过程中，零件之间的接触和磨擦不可避免地会导致磨损和疲劳，从而降低机械零件的工作效率和寿命。
因此，研究机械零件的磨损机理与疲劳分析成为提高机械设备的性能和寿命的重要课题。
一、磨损机理磨损是机械零件在相对运动过程中表面材料的损失，主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和润滑磨损等。
1. 磨粒磨损磨粒磨损是由于杂质等颗粒物进入零件表面的接触区域，与零件表面发生相对滑动而引起的既摩擦又磨损现象。
磨粒磨损会导致零件表面粗糙度增加，磨粒在摩擦接触区域形成凹槽和划痕，进一步加剧磨损。
2. 疲劳磨损疲劳磨损是由周期性应力作用引起的损伤，主要发生在机械零件承受往复或交变载荷的部位。
机械零件在往复运动过程中，由于应力的交变作用，材料表面会出现微裂纹，随着应力的不断作用，微裂纹会逐渐扩展并最终导致零件的疲劳破坏。
3. 润滑磨损润滑磨损是由于润滑油膜的破坏而引起的磨损现象。
当机械零件表面的润滑油膜无法保持稳定时，摩擦接触表面之间的直接接触会增加，摩擦热和摩擦力会增大，从而导致零件表面的磨损加剧。
二、疲劳分析疲劳分析是研究机械零件在循环加载下的疲劳性能和寿命的工程方法。
通过对零件材料的应力应变状态和疲劳强度的分析，可以判断零件在正常工况下的抗疲劳性能，并提出相应的改进措施。
1. 应力分析应力是导致机械零件疲劳破坏的主要因素。
在进行疲劳分析时，需要对零件所受的静态和动态载荷进行分析，计算出零件的应力分布情况，并结合材料的疲劳强度曲线，判断零件是否会发生疲劳破坏。
2. 循环载荷循环载荷是指在零件使用过程中的周期性变化的载荷。
循环载荷下，机械零件会发生应力集中和应力交变，进而引起疲劳裂纹和疲劳破坏。
因此，在疲劳分析中，需要对循环载荷进行精确的统计和计算，以准确评估零件在实际工作条件下的疲劳性能。
3. 疲劳强度分析疲劳强度是指材料在循环加载作用下能够承受的最大载荷水平。
机械零件的疲劳强度设计
累积循环次数
疲劳寿命
－－寿命损伤率
显然，在 的单独 作用下，
当 ， 寿命损伤率＝1 时，就会发生疲劳破坏。
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独 立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率 之和等于1时，则会发生疲劳破坏。
即：
上式即为Miner法则的数学表达式，亦即疲劳损伤线性累积假说。
注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。
二、疲劳强度设计
损伤等效
根据Miner法则，将规律性变幅循环应力 等效恒幅循环应力
（简称等效应力）
－－等效应力的大小 －－等效循环次数
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数 组成一个综合影响系数：
零件的疲劳极限为：
用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。
（ 、 的值见教材或有关手册 ）
屈服强度线
§2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数，以 判断零件的安全程度。安全条件是：S ≥ 。
概 述
C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。
二、循环应力的类型
脆性断裂区
疲劳区
疲劳源
疲劳纹
循环应力可用smax 、 smin 、 sm 、 sa 、 这五个参数中的任意两个参 数表示。
概 述
规律性变幅循环应力
按最大应力计算的安全系数为：
≥
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
注：1）应力增长规律为 时，按应力幅计算的安全系数 等与按最大应力计算的安全系数。
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。
上海理工大学科技成果——机械零部件抗疲劳设计和抗疲劳制造
上海理工大学科技成果——机械零部件抗疲劳设计和抗疲劳制造一、机械结构和零件的抗疲劳设计和抗疲劳制造技术通过结构的局部强度和强度场把结构抗疲劳设计和抗疲劳制造技术有机的耦合起来，为结构的材料、毛坯、热处理、强化工艺等的要求设计提供了理论依据。
基于结构和零件的局部强度和强度场提出了材料要求设计、毛坯要求设计、热处理强化要求、工艺强化要求的设计理论和方法。
提出了基于毛坯-制造-产品的热处理硬度场的设计要求，包括热处理表面硬度、硬化层深度、芯部硬度以及硬度等。
热处理强化要求设计提出了基于制造工艺-热处理-产品的毛坯结构尺寸和力学特性要求设计，通过控制毛坯的力学特性进行工艺设计，提高产品的疲劳强度和疲劳寿命。
旋锻成形的毛坯尺寸和力学特性要求设计喷丸等工艺强化的工艺参数制定、匹配优化，提过喷丸等工艺强化提高疲劳强度和疲劳寿命。
二、基于强度特征的轻量化设计和可靠性设计技术基于载荷强化和损伤的载荷谱处理新技术，用于加载谱和耐久性评价规范的制定。
通过载荷的强化和损伤、结构抗疲劳设计和载荷谱中强度变化特征等提出了基于强度特征的轻量化设计和可靠性设计，并应用到等速万向传动轴零件的具体设计。
可靠性和轻量化设计三、基于零件强度场的疲劳寿命仿真技术提出了结构和零件的静强度和疲劳强度特征预测模型，并通过结构和零件的静强度和强度特征而非材料的静强度和强度特征进行疲劳仿真。
动臂焊接结构疲劳研究动臂焊接残余应力研究四、旋锻近净成形工艺参数确定和缺陷预防含芯棒和无芯棒的旋锻工艺参数优化、缺陷预防以及产品设计。
旋锻成形仿真旋锻缺陷预防机理和旋锻工艺参数确定五、提高焊接结构疲劳性能的矫正理论和技术提供疲劳寿命的矫正工艺参数优化。
动臂矫正工艺参数确定和矫正装置六、可回收机械零部件技术评价理论和技术报废机械零件的剩余强度和剩余寿命评价和预测。
可回收技术评价流程评价回收的液压油缸和轿车等速万向传动轴七、机械零件的动态特性设计和NVH匹配设计某商务车传动轴NVH匹配研究。
疲劳的定义及疲劳的重要性
疲劳的定义及疲劳的重要性
在机械工程中，多数机械零部件都是在循环载荷作用下的，其工作应力往往低于材料的屈服强度。
零部件在这种循环载荷下，经过较长时间运行而发生失效的现象称为金属的疲劳。
疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。
据统计，约有80％以上零部件失效是由疲劳引起的，其中大多数是突然断裂。
随着现代机械向高速和大型化方向发展，许多零部件在高温、高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，疲劳破坏事故更是层出不穷。
因此，研究机械零部件的疲劳强度和推广疲劳设计，对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。
疲劳强度设计是建立在实验基础上的一门科学。
只有模拟真实的载荷及环境，对被研究的设备或零部件进行实物试验，才能正确地评价他们真实的疲劳特性，验证疲劳设计的预期效果。
但是，由于整机试验成本太高，而零部件的疲劳试验虽不如整机试验接近实际，却比用标准试样更接近工况，所以，关键零部件的疲劳试验是疲劳设计中的一个重要环节。
在零部件的疲劳试验中，要消耗大量零部件试样，对于不同的设计方案，又要制作不同结构的试样，很不方便。
所以，一般多用结构简单、造价低廉的标准试样进行疲劳试验，已提供疲劳性能数据和疲劳设计数据。
因此，疲劳试验在疲劳研究和疲劳设计中占有举足轻重的地位。
力学在工业机械设计中的应用有哪些
力学在工业机械设计中的应用有哪些在现代工业领域中，机械设计是一项至关重要的工作，它直接关系到机械设备的性能、质量、可靠性以及生产成本等多个方面。
而力学作为一门研究物体运动和受力情况的科学，在工业机械设计中有着广泛而深入的应用。
通过运用力学原理和知识，可以有效地优化机械结构、提高机械性能、保障机械的安全运行。
接下来，让我们详细探讨一下力学在工业机械设计中的具体应用。
首先，静力学在工业机械设计中起着基础的作用。
静力学主要研究物体在静止状态下的受力平衡情况。
在机械设计中，设计师需要确保各个零部件在静止时能够承受所施加的外力而不发生变形或破坏。
例如，在设计机床的床身结构时，需要考虑机床在加工过程中所承受的切削力、重力以及夹紧力等。
通过静力学分析，可以计算出床身结构所需的强度和刚度，从而合理地选择材料和确定结构尺寸。
又如在设计起重机的起重臂时，需要根据起重臂所承受的重物重量、起重臂自身的重量以及风载等因素，运用静力学原理来确定起重臂的截面形状和尺寸，以保证起重臂在静止状态下能够安全地承载重物。
其次，动力学在工业机械设计中也具有重要地位。
动力学研究物体的运动和受力之间的关系。
在机械设计中，许多机械设备都涉及到运动部件，如发动机的活塞、连杆机构，机床的主轴等。
通过动力学分析，可以了解这些运动部件的运动规律、速度、加速度以及受力情况。
这对于优化机械的运动性能、减少振动和噪声、提高机械的工作效率和寿命都具有重要意义。
例如，在设计汽车发动机的曲柄连杆机构时，需要考虑活塞的往复运动、连杆的摆动以及曲轴的旋转运动等。
通过动力学分析，可以确定各部件的运动轨迹和受力情况，从而优化机构的设计，减少摩擦和磨损，提高发动机的功率输出和燃油经济性。
材料力学在工业机械设计中的应用同样不可忽视。
材料力学主要研究材料在受力情况下的变形和破坏规律。
在机械设计中，选择合适的材料是保证机械性能和可靠性的关键。
通过材料力学的知识，可以了解不同材料的力学性能，如强度、硬度、韧性、疲劳强度等，并根据机械零部件的工作条件和受力情况选择合适的材料。
提高零件疲劳强度的措施
提高零件疲劳强度的措施随着现代工业的不断发展，各种机械、设备和工具的应用越来越广泛，零件的疲劳强度就显得尤为重要。
疲劳是指在循环载荷下零件发生的一种特殊的破坏形式，是机械零件最常见的破坏形式之一。
为了确保机械零件的安全性和可靠性，提高零件疲劳强度是至关重要的。
下面，我们将介绍几种提高零件疲劳强度的措施。
1. 优化设计在零件设计阶段，应当充分考虑该零件的使用环境和工作负荷，合理设计零件的形状、尺寸和材料，以提高其疲劳强度。
例如，在设计轴承支座时，应当考虑到其受到的载荷、转速和使用环境，选择合适的材料和加工工艺，以保证其在使用中不易疲劳破坏。
2. 提高表面质量零件表面的质量对其疲劳强度有很大的影响。
表面缺陷、裂纹和划痕等都会影响零件的疲劳寿命，因此提高零件表面的质量是提高其疲劳强度的重要措施之一。
可以通过机加工、磨削和抛光等方式提高零件表面的质量，减少表面缺陷和裂纹，从而提高其疲劳强度。
3. 加强热处理热处理是提高零件疲劳强度的重要手段之一，通过调控材料的组织和性能，提高零件的疲劳寿命。
常用的热处理方式有淬火、回火、正火等。
通过合理的热处理工艺，可以改善材料的组织结构和性能，提高其耐疲劳性能。
4. 加强检测对于一些关键性零件，应当加强对其疲劳破坏的检测，及时发现和处理潜在的缺陷和裂纹。
常用的检测方法有超声波检测、磁粉检测和X射线检测等。
通过加强对零件的检测，可以有效避免由于裂纹等缺陷导致的疲劳破坏。
5. 加强维护在零件使用过程中，应当加强对其的维护和保养，及时发现并处理零部件的故障和磨损。
通过加强维护，可以有效延长零件的使用寿命，提高其疲劳强度。
提高零件疲劳强度是确保机械零件安全可靠运行的重要保障。
通过合理的设计和加强材料加工、热处理、检测和维护等多种措施，可以有效提高零件的疲劳强度，提高其安全性和可靠性。
机械设计-第三章 机械零件的强度(疲劳)
AB（103前）：最大应力值变化很小，相当于静强度状况； BC（103-104）：N增加，σmax减小，有塑性变形特征—应变疲
劳，低周疲劳，不讨论； CD（>104）：有限寿命疲劳阶段 ,任意点的疲劳极限--有限寿
命疲劳极限σrN ，该曲线近似双曲线。
公式描述：
c,m—材料常数 D点后：材料不发生疲劳破坏，无限寿命疲劳阶段,
件的疲劳极限，用综合影响系数Kσ 表示。 如：对称循环弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ。 则：
σ －1试件的对称循环弯曲疲劳极限； σ －1e零件的对称循环弯曲疲劳极限。
不对称时：Kσ 是试件与零件的极限应力幅的比值。
零件的极限应力线图—ADGC 试件线图A’ D’ G’C—综合修正系数Kσ—零件线图ADGC
机械设计
第三章：机械零件的强度（疲劳强度）
主讲老师：吴克勤
第三章 机械零件的强度（疲劳）
一、材料的疲劳特性 1、 σ － N曲线 ①疲劳断裂：变应力下的零件损坏形式，与循环次数有关。 ②特征： σmax< σlim； 脆性材料和塑性材料都突然断裂； 损伤的积累。 ③疲劳极限：循环特征r一定时，应力循环N次后，材料不 发生破坏的最大应力σrN ； ④疲劳曲线：r一定的条件下，表示N与σrN 关系的曲线。
零件的极限应力曲线：
φσe－零件受循环弯曲应力时的材料常数； σ’ae －零件受循环弯曲应力时的极限应力幅； σ’me－零件受循环弯曲应力时的极限平均应力。
Kσ 为弯曲疲劳极限的综合影响系数
kσ－零件的有效应力集中系数（σ 表示在正应力条 件下）；
εσ － 零件的尺寸系数； βσ －零件的表面质量系数； βq －零件的强化系数。 上面所有的计算公式，同样适用于剪切应力。
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。
机械零件课程中的疲劳试验设计及分析
机械零件课程中的疲劳试验设计及分析张旦闻α摘 要 在机械零件的教学中开设了一个可观测疲劳全过程的试验,拍摄了各阶段典型疲劳裂纹形貌的教学图片.介绍了这项试验的实施和试验内容,分析了这项试验对机械零件课程教学的联系与作用.关键词 疲劳试验,机械零件,试验课分类号 G 642;T G 111.8在机械零件课程的教学过程中,变载荷作用下机械零件的疲劳失效分析和计算问题贯穿于整个教学内容之中,成为机械零件课程教学的重点和难点,学生对于基本疲劳理论的理解和对疲劳的感性认识非常重要.但纵观机械专业教学的全过程,始终没有针对疲劳问题开设相应试验来加强学生对于这一概念的理解和认识.而在以静力学为主的材料力学的教学过程中,有关疲劳的试验教学几乎是空白.学生在进入机械零件等专业课程有关疲劳的分折、计算和工艺设计的学习过程中,往往会感到学习困难、吃力、缺乏灵活运用和综合分析的能力,教学效果受到影响.综上所述,在机械零件课程中开设紧扣教学内容的疲劳试验十分必要.初步的教学实践表明:这样能激发学生对机械设计课程的学习兴趣,进一步提高学习效率和教学质量,简化课堂教学内容,加深了学生对疲劳问题的实践认识,为从事其它机械设计打下基础.开设疲劳试验的困难在于疲劳裂纹是在材料内部发生的,用于科学研究的接触疲劳试验只能得到最终的试验数据和疲劳剥落外貌,而不能对疲劳发展过程进行连续观测,因而不宜将这种试验直接引入到教学中去.为此我们要对试验设备和试样进行改造,围绕教材和课堂教学制订试验教学内容,促进机械零件教学质量更进一步提高.1 试验设备及试样结构接触疲劳试验是在改进的JPM —1型接触疲劳试验机上进行的.由于试验时间短(1小时以内),可去掉冷却装置.为简化操作,我们省去了灵敏度自动控制系统,使其运转简单可靠、维护方便.对试样的结构改进尤为重要,将原来对称式试样改为非对称式结构,如图1所示,其目的是使疲劳裂纹发生外端的圆柱面上,以便观测.在接触应力的作用下试样的疲劳裂纹首先在预先抛光过的外端面上产生并扩展,通过定时停机,取下试样,对裂纹进行显微观测,使学生了解疲劳裂纹的萌生、扩展过程,裂纹在不同应力作用下的扩展第13卷第2期1998年6月 洛阳大学学报JOU RNAL O F LUO YAN G UN I V ER S IT Y V o l .13N o.2Jun . 1998α作者单位:洛阳大学机械工程系,河南省洛阳市,471000收稿日期:1998—03—05图1 试样结构速度以及硬度对疲劳寿命的影响等.2 接触疲劳试验内容试样的工作应力ΡH设在高应力区(如材料为GC r15为3500M Pa左右).试样预先作端面金相抛光处理,具体试验内容和步骤如下:(1)在试验加载运行10分钟后,卸下试样、用有机溶剂清洗试样抛光表面,然后在金相显微镜下寻找试样端面次表层(距接触表1mm内的环形区域)的裂纹.选择2至3个裂纹作为观测对象,并在试样相应位置上作上记号以便下一次对同一裂纹作跟踪观测.裂纹在萌生扩展阶段的形态如图2所示.(2)在裂纹扩展阶段、测量裂纹的扩展速度.当机器以恒速运行条件下,测量裂纹长度与时间的关系.(3)比较不同硬度的试样在相同应力状态下裂纹扩展速度和疲劳寿命的区别或比较相同试样在不同应力下裂纹扩展速度的不同.图2 裂纹在萌生扩展阶段的形态3 试验与教学内容的联系首先,根据试验观测,疲劳裂纹起源于材料的缺陷部位,这种缺陷以冶金夹杂物为・9・洛阳大学学报 1998主[1].裂纹萌生时间占试样疲劳寿命的10%左右,而裂纹的扩展期较长,从裂纹进入扩展直至疲劳断裂所对应的时间占试样疲劳寿命的90%左右[2].由此说明:材料的内部缺陷诱发裂纹产生,而裂纹的扩展以及裂纹之间的相互连通最终导致疲劳点蚀1因此,减少材料内部缺陷对疲劳寿命至关重要.冶金夹杂物的数目是随着零件尺寸的增大而增加,这就对机械零件疲劳强度计算中引入绝对尺寸系数ΕΡ,ΕΣ(螺拴和轴疲劳强度计算中的尺寸系数Ε以及齿轮弯曲疲劳强度计算中的尺寸系数Y x 的必要性加以论证.第二,通过试验观察,学生了解到疲劳裂纹起源于接触面的次表层上,进而向表面扩展.说明这种表面失效形式与试样表面机械性能有密切的联系1在选择齿轮材料的基本要求、疲劳失效分析、提高齿轮抗疲劳点蚀能力的措施以及润滑油粘度选择等内容的教学中,就可通过试验加以生动的说明.需要说明的是:硬度和韧性之间有一个合理组合的问题并不是一味提高硬度就一定能提高接触疲劳强度.轴承钢只有当HRC =62时接触疲劳强度最高,而硬度过高其接触疲劳强度有所下降[3].第三,试样卸载后其内部的裂纹随下一次加载而继续扩展,直至断裂的现象是疲劳损伤积累理论的一个佐证.在学习“把非稳定变应力(Ρi ,n i )转化成稳定变应力(Ρ,n e )后就使得应力Ρ循环n e 与诸应力Ρi 各自循环n i 次对材料所造成的损伤相当”[4]的计算理论时,学生就容易接受和理解,减少了这一部分的教学难度.在处理复杂载荷作用下的机械零件疲劳强度的问题时就不再困难了.4 疲劳试验课程安排由于疲劳试验的特殊性,试验前实验教师应将试验机、试样、金相显微镜准备好.试样可按不同硬度、不同材料分成2～3组.试验应力设置在快速疲劳区,使试样的疲劳寿命在30～50分钟左右(也可以在试验前对试样进行抛光,加载运行产生合适的裂纹后,再由学生继续试验).显微镜为200倍和50倍两种,并配以测微目镜以便读数.每班分成2～3组,开机10分钟后,第一组进行试样观测,第二组换上不同试样在相同或不同应力下试验.以此循环直至试样疲劳破坏.实验教师2名,一个负责疲劳实验机,指导学生正确的使用和安装试样.另一名负责金相抛光和显微观测.实验教师在实验前结合典型的疲劳裂纹图片进行讲解说明,根据实验内容提出实验的基本要求和注意事项,布置思考题,进一步加深对课堂理论概念的理解.任课教师可结合实验数据、图片在不同章节对实验结果进一步的分析,在学生具备一定实践的认识以后,课堂教学内容适当精简,调动学生的自学能力,通过课堂讨论、讲评达到教学目的.由于疲劳实验与教材的不同章节、不同研究对象发生联系.需要教师在实验安排和实验内容上结合教材与实验教师密切合作,组织好疲劳实验和裂纹观测这两个环节,就一定能达到预期的实验教学目的.参考文献1 陈清.金属热处理学报,1989(12)2 邵尔玉.W EA R ,1990,(12)3 吴宗泽.机械零件1中央广播电视大学出版社,19934 曹仁政.机械零件.北京:冶金工业出版社,1985・19・第2期 张旦闻:机械零件课程中的疲劳试验设计及分析 Fa tigue Test D esign and Ana lysis of M echan ica l Parts CourseZhang D anw ei(D epartm en t in M echan ical Engineering )AB STRA CT In m echan ical parts cou rse ,a test on ob servab le fatigue p rocess is offered .T each ing charts of typ ical fatigue crack ing fo r m are sho t .T he enfo rcem en t and con ten ts of th is test are in troduced .A nd the teach ing connecti on and acti on to m echan i 2cal p arts cou rse fo r th is test are analyzed .KEY W ORD S fatigue test ,m echan ical parts ,test cou rse(上接80页)The CA I Teach i ng Sof tware i n GraphCourse of Eng i neer i ng Spec i a l ityYu L ili(D epartm en t of E lectron ic Engineering )AB STRCT A cco rding to teach ing charateristics of grap h cou rse fo r engineering speciality ,u sing A u to CAD as developm en t p latfo r m ,an i m p lem en tati on of design ing CAD is pu t fo r w ard .KEY W ORD S com pu ter softw are ,CA I ,exam inati on questi on s bank ・29・洛阳大学学报 1998。
机械的疲劳的概念
机械的疲劳的概念机械的疲劳是指在机械运动过程中，由于反复应力和应变的作用，导致零件或材料发生逐渐加剧的变形和损伤的一种机械现象。
简单来说，就是机器在长时间使用后由于不断的应力和应变的作用，导致零件或材料发生变形和损伤，最终影响到机器的正常工作。
机械的疲劳通常表现为以下几个方面：1.低周疲劳：是指机器在频率低于20赫兹的条件下受到的疲劳。
这种疲劳通常是由于机械中的零件在一定周期内受到的应力和应变的影响，导致零件发生裂纹或者以及其他损伤。
2.高周疲劳：是指机器在高于20赫兹的条件下受到的疲劳。
这种疲劳通常是由于机械零部件在频率高的情况下，产生的应力和应变会在机械中形成振动，导致零件发生疲劳破坏。
3.疲劳寿命：是指机器在使用过程中能够承受的循环应力和应变次数，称为疲劳寿命。
一旦到达疲劳寿命，机器将出现严重的裂纹或破坏，需要进行修理或更换零件。
机械的疲劳是非常危险的，它会导致机器的损坏，影响机器的正常工作。
因此，为了减少机器的疲劳，需要做出以下几个方面的策略:1.疲劳分析：在设计机器时，必须进行必要的疲劳分析。
这可以确定材料的疲劳强度，预计机器在使用寿命之前是否会出现裂纹或破坏。
2.合理的材料选择：在机器零件的制造过程中，应该选择高质量的材料，并确认其疲劳极限。
材料的抗疲劳性能越好，机器的使用寿命就越长。
3.降低应力：可以通过改变机器零件的设计，使它们承受更小的应力和应变。
例如采用减震材料或增加机械零件的截面面积来减少应力。
4.减少振动：振动会增加机器零件的应力，从而导致疲劳。
因此，可以通过增加机器的稳定性或使用减震措施来降低振动。
总之，机械的疲劳是在机械运动过程中经常出现的一种机械现象。
了解机械疲劳的原因和预防方法，可以减少机械损坏和维修成本，延长机器的使用寿命。
同时，对于机械制造、维修和使用人员，加强对机械疲劳知识的学习和掌握将成为提高机械工作效率的基本保障。
机械零件的疲劳强度设计
数值模拟
使用计算机模型模拟零件受 循环载荷后的疲劳行为。
统计分析
通过分析样本数据，推导疲 劳寿命的概率分布。
疲劳试验与数据分析
1
试验设计
制定疲劳试验方案，包括加载方式、载荷幅值和试验样本数。
2
试验执行
进行疲劳试验，记录试验数据，如载荷响应和失效时间。
3
数据分析
对试验数据进行统计分析，得出寿命曲线和可靠性评估。
疲劳强度设计是确保机械零件可靠性和安 全性的关键步骤。
疲劳强度设计的工度钢。
几何设计
优化零件几何形状，减少应力集中和裂纹生成的可能性。
加工和热处理
精确控制加工过程和热处理参数，提高零件的疲劳强度和寿命。
案例分析及总结
案例1 案例2 总结
通过疲劳强度设计，延长了某机械组件的 使用寿命。
疲劳断裂导致一架飞机的事故，强调了疲 劳强度设计的重要性。
机械零件的疲劳强度设计
欢迎来到本次精彩的演讲！我们将探讨机械零件的疲劳强度设计，包括定义、 重要性、原因及机理、寿命评估方法、试验与数据分析、工程实践和案例分 析。
机械零件疲劳强度的定义
1 什么是疲劳强度？
疲劳强度是指机械零件在循环加载下能够承受的最大应力水平。
2 为什么疲劳强度重要？
了解疲劳强度有助于预测零件的寿命和避免意外损坏。
3 如何计算疲劳强度？
疲劳强度可以通过诸如疲劳极限、材料强度、载荷频率等参数的计算得出。
疲劳断裂的原因及机理
原因
• 不适当的设计 • 材料缺陷 • 过载或振动
机理
• 疲劳裂纹的生成和扩展 • 应力集中导致断裂 • 裂纹逐渐扩展导致零件失效
疲劳寿命评估方法
试验法
通过对零件进行疲劳试验来 评估其寿命。
机械零件疲劳寿命分析
机械零件疲劳寿命分析机械零件是现代工业中不可或缺的组成部分，而零件的使用寿命则直接影响到机械设备的稳定运行和使用安全性。
在机械工程领域中，疲劳寿命分析是一项重要的技术，用于评估机械零件在长期使用过程中的可靠性和寿命。
疲劳寿命分析是指通过对材料的疲劳破坏机理进行研究，结合零件的工作环境和加载条件，评估零件在实际工作条件下能够承受的循环加载次数。
通过分析材料的疲劳强度和应力分布，确定机械零件的疲劳寿命，进而制定有效的维护和更换计划，以保证机械设备的可靠运行。
疲劳是导致机械零件破坏的常见原因之一。
所谓疲劳，是指零件在交变加载下发生的应力累积和裂纹扩展过程。
在实际工作中，机械零件承受的应力往往是交变的，比如摆杆、连杆、轮毂等零件常常需要承受往复加载。
这些零件在循环加载下，由于应力的反复变化，容易导致裂纹的产生和扩展，最终引发疲劳破坏。
疲劳寿命分析的核心是确定零件的疲劳强度。
材料的疲劳强度是指在循环加载下，能够承受的应力水平。
对于常见的金属材料而言，它具有一定的疲劳极限，超过这个极限就会发生疲劳破坏。
而疲劳强度则是指在一定寿命下能够承受的循环加载应力水平。
通过实验和数值模拟，可以确定材料的疲劳强度曲线，进而评估零件的疲劳寿命。
除了材料的疲劳强度，机械零件的几何形状和加载条件也对其疲劳寿命起着重要影响。
通过应力分析和应力集中因子的计算，可以确定零件在不同点位的应力集中情况。
在设计过程中，合理的几何形状和工作条件可以有效降低应力集中，延长零件的疲劳寿命。
在实际工程中，为了评估零件的疲劳寿命，通常需要进行疲劳试验和数值模拟。
疲劳试验是通过加载样品，观察和记录样品在循环加载下的破坏情况，获得材料的疲劳性能参数。
而数值模拟则是通过建立零件的有限元模型，利用计算机模拟零件的应力和应变分布，进而确定零件的疲劳寿命。
疲劳寿命分析可以帮助工程师更好地理解机械零件的使用寿命。
通过合理的疲劳寿命分析，可以制定适当的使用和维护计划，提高机械设备的可靠性和安全性。
机械设计中的疲劳与寿命评估
机械设计中的疲劳与寿命评估在机械设计领域，疲劳与寿命评估是一个至关重要的步骤。
准确评估机械零部件的疲劳寿命，可以有效提高产品的可靠性和耐久性。
本文将探讨疲劳与寿命评估的基本概念和常用方法。
一、疲劳与寿命评估的背景疲劳是机械零部件在交变载荷作用下的破坏形式之一。
长时间的交变载荷作用会导致零部件发生疲劳开裂，最终导致失效。
因此，对机械零部件的疲劳性能进行评估至关重要。
寿命评估是对机械零部件在给定工作条件下的使用寿命进行估计。
通过合理的寿命评估，可以预测机械零部件的寿命，从而对产品的可靠性和耐久性进行有效控制。
二、疲劳寿命评估的基本概念1. 疲劳裂纹疲劳裂纹指的是在周期性的载荷作用下，由于材料的疲劳损伤而引起的裂纹。
疲劳裂纹的形成是一个逐渐扩展的过程，在疲劳寿命评估中需要重点关注裂纹的扩展速率。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指在给定工作条件下，机械零部件可以承受多少个循环载荷周期，而不发生破坏。
通过设计合理的疲劳寿命，可以确保零部件在实际使用中具有足够的耐久性。
3. 疲劳强度疲劳强度是指材料在疲劳加载下能够承受的最大应力水平。
实际应用中，需要将疲劳强度与材料的强度进行比较，以确保零部件在工作过程中不会发生疲劳破坏。
三、疲劳与寿命评估的常用方法1. 应力-寿命曲线法应力-寿命曲线法是一种基于实验数据的疲劳寿命评估方法。
通过对不同应力水平下的循环载荷试验，可以得到应力与寿命之间的关系曲线。
通过插值和外推方法，可以预测不同应力水平下的寿命。
2. 极限疲劳试验法极限疲劳试验法是一种对机械零部件进行疲劳破坏试验的方法。
通过在给定载荷下进行循环载荷试验，记录零部件的破坏循环数，从而得到其疲劳寿命。
3. 有限元分析法有限元分析法是一种基于数值模拟的疲劳寿命评估方法。
通过建立零部件的有限元模型，考虑材料的本构关系和载荷条件，利用数值分析软件进行模拟计算，得到零部件的应力分布和应变分布。
通过应力分析结果，可以评估零部件的疲劳寿命。
机械零件疲劳寿命的预测与分析
机械零件疲劳寿命的预测与分析在现代机械工程领域，机械零件的疲劳寿命是一个至关重要的研究课题。
无论是在航空航天、汽车工业还是一般的机械制造中，准确预测和分析机械零件的疲劳寿命对于保障设备的可靠性、安全性以及降低维护成本都具有极其重要的意义。
首先，我们需要明确什么是机械零件的疲劳。
简单来说，疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致零件失效的现象。
这种失效往往发生在零件的应力集中部位，如孔洞、缺口、尖角等处。
而疲劳寿命，则是指零件从开始承受载荷到发生疲劳失效所经历的循环次数。
那么，为什么要对机械零件的疲劳寿命进行预测和分析呢？一方面，通过预测疲劳寿命，我们可以在设计阶段就对零件的结构进行优化，避免过早的疲劳失效，从而提高产品的质量和可靠性。
另一方面，对于已经在使用中的设备，通过对关键零件的疲劳寿命分析，可以合理安排维护和检修计划，避免突发的故障造成重大损失。
在预测机械零件疲劳寿命的过程中，材料的性能是一个关键因素。
不同的材料具有不同的疲劳特性，例如强度、韧性、硬度等。
这些性能参数会直接影响零件的疲劳寿命。
因此，在进行疲劳寿命预测时，需要准确获取材料的疲劳性能数据。
通常，这些数据可以通过实验测试获得，例如拉伸试验、疲劳试验等。
除了材料性能，载荷的特性也是影响疲劳寿命的重要因素。
载荷可以分为恒定载荷和变载荷。
对于恒定载荷，其对零件疲劳寿命的影响相对较为简单。
而变载荷则要复杂得多，因为它的大小、方向和频率都会随时间变化。
在实际工程中，大多数机械零件所承受的都是变载荷。
为了准确描述变载荷，我们通常采用载荷谱的方法。
载荷谱是对零件在实际工作中所承受载荷的时间历程的统计描述。
通过对载荷谱的分析，可以计算出零件所承受的等效载荷，进而预测其疲劳寿命。
零件的几何形状和尺寸也会对疲劳寿命产生显著影响。
例如，零件上的孔洞、缺口等会导致应力集中，从而大大降低零件的疲劳寿命。
在设计过程中，通过采用合理的结构设计，如避免尖锐的转角、增加过渡圆弧等，可以有效地降低应力集中，提高零件的疲劳寿命。
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。
机械设计基础机械设计中的疲劳寿命
机械设计基础机械设计中的疲劳寿命机械设计基础：机械设计中的疲劳寿命机械设计中的疲劳寿命是指机械零件在循环载荷作用下能够承受的循环载荷次数，即其寿命。
而机械零件的寿命对于机械设计来说至关重要，因为寿命的长短直接影响机械产品的可靠性和使用寿命。
本文将介绍机械设计中的疲劳寿命与其影响因素，并探讨一些提高疲劳寿命的方法。
一、疲劳寿命的定义和影响因素疲劳寿命是指在循环载荷作用下，机械零件发生疲劳破坏之前能够承受的循环载荷次数。
而影响疲劳寿命的因素众多，下面列举一些常见的影响因素：1. 材料的选择：不同材料具有不同的抗疲劳性能，在机械设计中应根据实际使用情况选择适合的材料。
2. 强度和硬度的控制：合理的强度和硬度设计可以降低零件的疲劳应力，从而延长疲劳寿命。
3. 表面质量：表面质量的好坏直接影响零件的疲劳寿命，应尽量避免表面缺陷和裂纹的产生。
4. 工作环境：机械零件在不同的工作环境中受到的载荷情况也不同，应根据工作环境来选择适当的设计和材料。
5. 加工工艺：合理的加工工艺可以提高零件的疲劳寿命，如合理的退火和表面处理。
二、提高疲劳寿命的方法为了提高机械零件的疲劳寿命，可以采取以下几种方法：1. 材料改进：选择具有较高疲劳寿命的材料，如高强度金属材料或使用疲劳寿命较长的合金。
2. 强度设计：通过合理的强度设计，使零件在实际工作负荷下仍保持足够的强度，避免超载和疲劳破坏。
3. 表面处理：采用适当的表面处理方法，如表面喷丸或镀层等，可以提高零件的表面质量和抗疲劳性能。
4. 控制工作环境：尽量避免机械零件在恶劣工作环境下长时间运行，如高温、腐蚀等环境会加速零件的疲劳破坏。
5. 检测和维护：定期进行零件的检测和维护，及时发现和处理可能存在的缺陷和问题，以延长机械零件的疲劳寿命。
三、疲劳寿命的估算在机械设计中，通常使用疲劳曲线来估算零件的疲劳寿命。
根据实际情况，可以选择不同的疲劳曲线来估算零件的疲劳寿命，如S-N曲线、Wöhler曲线等。
机械工程师中的机械疲劳分析
机械工程师中的机械疲劳分析机械工程师是现代工业生产中不可或缺的角色，他们负责设计、制造和维护各种机械设备。
在机械工程师的职业生涯中，机械疲劳分析是一个关键的方面。
本文将探讨机械工程师中的机械疲劳分析的重要性、主要方法和应用领域。
一、机械疲劳分析的重要性机械疲劳是指材料、零部件或机械结构在循环加载下发生的逐渐累积的损伤。
机械疲劳导致的故障可能会引起机械设备的意外损坏，甚至威胁到人身安全。
因此，在机械工程领域中，进行机械疲劳分析是至关重要的。
首先，机械疲劳分析可以帮助工程师识别潜在的疲劳故障点。
通过对机械设备的工作条件、材料特性和设计参数进行综合分析，工程师能够准确地预测疲劳寿命和疲劳失效位置。
这有助于及早采取相应的措施，以预防机械设备发生疲劳失效。
其次，疲劳分析还可以优化机械设计。
在设计过程中，工程师可以利用疲劳分析结果来确定最佳的材料选择、结构尺寸和载荷条件。
通过优化设计，可以提高机械设备的可靠性和使用寿命，降低成本，并满足特定工作环境下的需求。
最后，机械疲劳分析对于设备维护和健康监测也具有重要意义。
通过定期对机械设备进行疲劳分析，工程师可以及时检测到潜在的疲劳损伤，并采取相应的维护措施，以确保设备的可靠运行。
二、机械疲劳分析的主要方法在机械疲劳分析中，有几种常用的方法可以帮助工程师评估材料和结构的疲劳性能。
首先是应力-时间法。
该方法通过绘制材料或结构在循环载荷作用下的应力-时间曲线，来评估材料的疲劳强度和寿命。
应力-时间法基于材料的S-N曲线，即应力幅与循环次数的关系，根据实验数据可以获得。
其次是应力-应变法。
该方法通过测量材料在循环加载下的应力和应变，来计算材料的疲劳强度和寿命。
应力-应变法基于材料的S-N曲线，通过应力和应变的关系来确定材料的疲劳性能。
第三是有限元方法。
该方法基于有限元分析理论，将机械结构建模为有限元模型，并通过施加不同的载荷条件来模拟实际工作环境下的疲劳加载。
有限元方法可以帮助工程师分析应力和变形的分布情况，预测疲劳寿命和疲劳失效位置。
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提高机械零件疲劳强度的措施机械零件的疲劳强度是指在循环载荷下，零件能够承受的最大应力水平。
在机械设计中，提高零件的疲劳强度是非常重要的，因为疲劳失效是机械零件失效的主要原因之一。
下面是提高机械零件疲劳强度的措施。
1. 优化设计在机械设计中，优化设计是提高零件疲劳强度的关键。
通过合理的设计，可以减少零件的应力集中和应力变化，从而提高零件的疲劳强度。
例如，在设计轴承支座时，可以采用圆角设计来减少应力集中，或者采用弯曲设计来减少应力变化。
2. 选择合适的材料材料的选择对机械零件的疲劳强度有很大的影响。
一般来说，高强度、高韧性、高耐疲劳性的材料可以提高零件的疲劳强度。
例如，对于高强度螺栓，可以选择高强度钢材料，如40Cr、45#等。
3. 加强表面处理表面处理是提高机械零件疲劳强度的重要措施之一。
通过表面处理，可以增加零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而提高零件的疲劳强度。
例如，在制造高强度螺栓时，可以采用热处理、表面喷涂等方式来加强表面处理。
4. 控制制造工艺制造工艺对机械零件的疲劳强度也有很大的影响。
在制造过程中，应严格控制加工精度、表面质量、热处理工艺等因素，以确保零件的质量和疲劳强度。
例如，在制造高强度螺栓时，应严格控制螺纹加工精度、热处理工艺等因素。
5. 加强维护保养维护保养是保证机械零件长期稳定运行的重要措施之一。
定期检查和维护机械零件，及时发现和处理零件的疲劳损伤和缺陷，可以有效地延长零件的使用寿命和提高疲劳强度。
综上所述，提高机械零件疲劳强度的措施包括优化设计、选择合适的材料、加强表面处理、控制制造工艺和加强维护保养。
通过这些措施，可以有效地提高机械零件的疲劳强度，延长零件的使用寿命，提高机械设备的可靠性和安全性。
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劳极限应力图.
图3.6 塑性材料的m-a曲线
图3.7 低塑性和脆性材料的m-a曲线
塑性材料的σa -σm简化曲线
• 3.2.3常用疲劳极限数值 • 表3.1
max= m+ a= s m= s-a
3.3 影响零件疲劳强度的系数 上述曲线是用材料的标准试件进行试验的，实际零 件的疲劳极限由于应力集中、零件尺寸、表面状态 的不同而不同。
1、应力集中的影响: 应力集中系数
k 1 q( 1)
k 1 q( 1)
ασ 、ατ ——考虑零件几何形状的理论应力集中系数 q——考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数
2、尺寸的影响----尺寸越大，材料的晶粒会愈 粗、出现缺陷的几率也就会愈大、机械加工后 所形成的表面冷作硬化层相对较薄。 尺寸系数：εα，ετ
不均匀
• 疲劳断裂的过程一般由两个阶段构成： 第一个阶段是零件表面上应力较大位置 的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹， 形成疲劳源；
• 第二个阶段为裂纹尖端在切应力下发生 反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲 劳断裂。
• 对于实际的零件疲劳过程来说，由于材 料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存 在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳 源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是 从第二阶段开始的。
主要是材料表面有裂纹存在，在反复变应力 作用下，裂纹的表面周期性地压紧和分开，使裂 纹扩展，当裂纹发展到一定程度后，余下的截面 不能满足静强度要求而发生的突然性一次断裂而 形成的断面。
断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙脆性断裂区组成
断裂扩展→光滑疲劳发展区 脆性断裂→粗糙的脆性断裂区
→轴向变形不均匀
→载荷的波动，裂纹前进
Sa
a a
GC HC
当工作应力处于塑性安全区时 首先发生塑性破坏
S
S m a
OL LC1 OM MC1
OL LC1 OC1 OM MC1 OC1
2.解析法求安全系数 工作点位于疲劳安全区时 A'E'直线方程
图3.14 钢的尺寸系数（a）和铸铁的尺寸系数（b）
3、表面状态的影响：表面的质量好坏对疲劳源 的形成、应力集中、抗疲劳能力等多方面产生影 响。
----表面状态系数：βσ， βτ
• 零件加工的后处理方法对表面状态的影 响也很大，淬火、渗碳、渗氮、抛光、 喷丸、滚压都可以提高抗疲劳强度，减 少初始裂纹产生和扩展作用 。
• 4、综合影响系数：
• 计算时要将零件的工作应力幅乘以综合影响
系数。试验表明，应力集中、零件尺寸和表
面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而
对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑
。
(k
)D
k
限应力图 考虑综合影响系数（kσ）D和寿命系数kN
• 1.所谓机械零件的疲劳极限应力图是在 考虑了综合影响系数和寿命系数之后得 出的疲劳极限应力图
对于青铜：弯曲应力：m=9 接触应力：m=8
2）无限寿命区
N N0
rN r ——持久极限
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
当作用在材料上的疲劳应力小到N0时，疲劳极限不 再随循环次数的增加而降低。
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3、循环特性r对疲劳曲线的影响
应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度 越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利
1）有限寿命区
当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限
，按静强度计算
当N>103(104)——高周循环疲劳当 103 (104 ) N N0
时随循环次数↑疲劳极限↓
对于机械设计问题，大部分材料处于AB段，这一区域 中，疲劳曲线符合指数方程：
m rN
N
m r
N
0
C
m rN
N
m r
• 2.综合影响系数只对极限应力幅有影响, 而寿命系数对应力幅和平均应力均有影 响
• 3.工作应力点(m,a)必须落在安全区内, 当零件受到的应力增长导致发生破坏时， 最终发生的破坏形式与应力的增长规律 有关 。
工作应力增长的规律
图3.17 三种常见的应力增长方式
3.5 机械零件安全系数的计算
疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判 断危险截面处的安全程度,准则为:
N
0
C
循环基数N0 与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。
对于钢：若硬度350HB，取N0=106~107； 350HB，取
有色金属：
N0=10×106~25 × 107 N0=25 × 107 。
指数m
m rN
N
m r
N
0
m lg N0 lg N
lg rN lg r
对于钢：拉应力、弯曲应力和切应力时：m=9 接触应力：m=6
3.2 材料的疲劳特性曲线
3.2.1 材料的-N疲劳曲线 1.疲劳极限----在循环特性r一定的变应力作用 下,经过N次循环作用材料不发生疲劳破坏的最 大应力称为疲劳极限(rN或rN) 2.疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历 的应力循环次数N
3.疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲
劳极限rN或rN与应力循环次数N 之间关系的曲线
第三章 机械零件的疲劳设计
• 3.1疲劳断裂的过程及断面特征 • 3.2材料的疲劳特性曲线 • 3.3影响零件疲劳强度的系数 • 3.4机械零件的疲劳极限应力图 • 3.5机械零件的疲劳安全系数计算方法 • 3.6现行疲劳损伤积累假说及其应用
3.1 疲劳破坏的过程及断面特征
• 为什么会造成疲劳破坏？
S[S] 该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材 料,结构和尺寸均已确定的条件下进行的
• 按 r min =常数进行加载时的疲劳安全系数的计算方法 max
1.图解法求安全系数 当工作应力处于疲劳安全区时 首先发生疲劳破坏
S
m ax max
m a m a
OG GC OC OH HC OC
寿命系数：
如果已知循环基数N0和疲劳极限（r r ），则
N次循环时的疲劳极限为：
rN
m
N0 N
r
kN r
rN
m
N N
0 0
r
kN r
式中：
kN
m
N0 N
——寿命系数。
3.2.2材料的σa —σm曲线
用材料的标准试件实验,m-a曲线表达的是在不同
循环特性r的应力作用相同的次数N，材料的疲劳极限应