第章机械零部件设计中的强度与耐磨性

静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
max
min
2
应力幅:
a
max
min
2
最大应力: σmax 最小应力: σmin
静应力是变应力的特例
r = +1 σ
σ=常数
o
t
静应力
σ r = -1
σmax
σa
σmin
σa
o
t
对称循环变应力
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm
o
t
rN
有限寿命区
A
无限寿命区 lg rN
有限寿命区
A
无限寿命区
B
o 103 N
r
o
N0
N
－N 疲劳曲线
B
lg r
N0
lg N
－N 疲劳曲线
典型的疲劳曲线如图所示：
有限寿命区 无限寿命区
A
rN
B
o 103 N
r
N0
N
－N 疲劳曲线
可以看出： 随rN N 的
增大而减小。但是当 N 超过
某一循环次数 N0 时，曲线
第2章 机械零部件设计中的强度与耐磨性 2.1 概述
2.2 机械设计中的强度问题
2.2.1 载荷与力
1. 载荷 -------力和力矩
静载荷
大小、作用位置和方向不随时间变化或随时间缓慢变化的载荷
变载荷Байду номын сангаас
大小、作用位置和方向随时间变化的载荷
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。
工作载荷-----机器正常工作时所受的实际载荷。
然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，工作载荷难以确定，通常用引入
计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
FC=KF 或 TC=KT
式中，F 、 T为名义载荷，FC 、 TC为计算载荷
载荷系数 K ----考虑各种附加载荷因素的影响。
工作情况系数 KA ----只考虑工作情况的影响。
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直 至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损 伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数 (即使用期限或寿命)有关的断裂。
----静应力
2.2.2 静应力作用下的强度 一、静应力下的强度条件
⑴ 危险截面处的计算应力 ca , ca 不超过许用应力 [ ],[ ]
ca
[
]
lim
[S ]
ca
[ ] lim
[S ]
[σ] 、[τ]---- 许用正应力，许用剪切应力 σlim、 τ lim ----- 极限正应力，极限剪切应力
非对称循环循环变应力
σ r =0
σmax
σa
σa
σm
o σmin
t
脉动循环变应力
r = +1 σ
σ=常数
o
t
静应力
r min max
静应力: σ=常数
σa=0 ,σmax= σmin= σm= σ
r =+1
σ
r = -1
σmax
σa
对称循环变应力: σm=0 ,σmax=σa ,
σmin= -σa
原动机的 额定功率为 P（KW ） 额定转速为 n (r/min)
作用在传动零件上的 名义转矩 T 为
T 95550 i （N ·m n）
式中， i ---从原动机到所计算零件之间的总传动比
η---从原动机到所计算零件之间传动链的总效率
2. 应力 静应力 变应力
不随时间变化或随时间缓慢变化的应力 随时间变化的应力
脆性材料 复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。
单向应力状态下： lim s ， lim s
塑性材料 复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。
2.3 机械零件的疲劳强度
2.3.1 疲劳断裂特征
静应力状态下，零件的失效形式：断裂或塑性变形
变应力状态下，零件的失效形式：疲劳断裂
r不同或 N 不同时，疲劳极限
在疲劳强度计算中，取 ＝lim
则不rN 同。 。 rN
二、疲劳曲线（- N 曲线）
是在循环特性 r 一定时，表示循环次数 N（lgN） 与疲
劳极限
(lg
rN
rN)之间关系的曲线。
1. 第一类金属材料的疲劳曲线（如图所示：） 大多数黑色金属及其合金，当 N ≥N 0 时，疲劳曲线呈现为 水平直线。
σmin o
σa t
r = -1
对称循环变应力
σ r =0
σmax
σa
r min max
σa σm
脉动循环变应力:
o σmin
t σm=σa ,σmax= 2σa , σmin= 0
脉动循环变应力
r =0
变应力的循环特性:
r min max
-1 =0
+1
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
1、疲劳断裂的过程
第一阶段、 零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹 形成疲劳源（1个或数个）
第二阶段、 裂纹端部在切应力下发生反复塑性变形，裂纹扩展 直至发生疲劳断裂
2、疲劳断裂具有以下特征：
1) 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;
不管脆性材料或塑性材料，
3、疲劳断裂截面 由光滑的疲劳发展区 和粗糙的脆性断裂区组成
§2.3.2 疲劳极限
一、两个概念
1）材料的疲劳极限
：对任意给定的应力循环特性
rN
r，当应
力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏、
时所能承受的最大应力
。 max( max )
（变应力的大小可按其最大应力进行比较）
2）疲劳寿命 N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。
⑵ 危险截面处的计算安全系数 S , S 不超过许用安全系数[S ]
S S
lim ca
lim ca
[S ]
[S ]
σlim、 τ lim ----- 极限正应力，极限剪切应力
二、静应力下的许用应力 静应力状态下，零件的失效形式：断裂或塑性变形
材料种类不同，所取极限应力也不同。
单向应力状态下： lim b ， lim b
可以认为：当材料受到的应力不超过 时r，则可以经受无限
次的应力循环而不疲劳破坏。－－寿命是无限的。
有限寿命区
A
无限寿命区
趋于水平。即 不rN 再随 N
的增大而减小。
典型的疲劳曲线如图所示：
有限寿命区 无限寿命区
A
N0 --- 应力循环基数。
N
以 N0 为界，曲线分为两个区：
B
1）无限寿命区：
o
N
r
N0
N
当对应N的≥疲N劳0 时极，限曲是线一为个水定平值直，线用， r
表示。它是表征材料疲劳强度的重
－N 疲劳曲线
要指标，是疲劳设计的基本依据。