【教育】浅谈机械零件的疲劳强度

【关键字】教育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；可靠性目录引言通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。

根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。

本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。

1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。

这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。

增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。

Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。

自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。

1867年，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与联系起来，提出了的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。

第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规。

1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论。

1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。

之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。

20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。

在常规疲劳强度设计中，有（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。

损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。

疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。

1 变应力的分类变应力可分为随机变应力和循环变应力两大类，其中循环变应力又称为周期变应力，它可分为稳定循环变应力和不稳定循环变应力，稳定循环变应力又有简单与复合之分。

如图1-1所示。

图1-1 变应力的分类随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力。

如图1-2所示。

图1-2 稳定循环变应力若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图1-3所示，则称为不稳定循环变应力。

图1-3不稳定循环变应力如果变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图1-4。

图1-4 随机变应力2 变应力参数图2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。

图2 稳定循环变应力零件受周期性的最大应力σmax及最小应力σmin作用，其应力幅为σa，平均应力为σm，它们之间的关系为。

其中：σmax为变应力最大值，σmin为变应力最小值，σm为平均应力，σa 为应力幅，r为循环特性(或称变应力不对称系数) ，表示变应力的变化性质。

上列各式中的σmax和σmin指应力绝对值的最大和最小，但代入公式中时，应带有本身正负号。

图2b所示变应力，平均应力σm＝0，而σmax＝-σmin，因此，r＝-1，这类应力称为对称循环变应力。

图2d所示变应力，σmin＝0，σa＝σm，而σmax＝2σa＝2σm。

此时，r＝0，这类应力称为脉动循环变应力。

当σmax与σmin接近或相等时，σa接近或等于零，此时循环特征r＝+1，这类应力称为静应力。

除去对称和脉动循环变应力以及静应力外，其他类型的变应力称为非对称循环变应力(图2c)。

下面举例计算，如已知σmax为200N/mm2， r为-0.5，那么σmin、σa、σm应该为：3 疲劳曲线变应力的循环特征r，应力幅σa和循环次数N对零件的疲劳强度都有影响。

零件在同一最大应力水平时，r值越大，或σa越小，或N越少，它的疲劳强度越高。

疲劳曲线是应力循环次数N与疲劳极限的关系曲线。

线性坐标上的疲劳曲线对数坐标上的疲劳曲线图3-1疲劳曲线曲线上各点表示在相应的循环次数下，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。

从图上可以看出，应力越高，则产生疲劳失效的循环次数越少。

在作材料试验的时候，常取一规定的应力循环次数N0，称为循环基数，把相应于这一循环次数的疲劳极限，称为材料的持久疲劳极限，记为σ-1。

疲劳曲线可分为两个区域：有限寿命区和无限寿命区。

所谓的无限寿命，是指零件承受的变应力水平低于或者等于材料的疲劳极限σ-1，工作应力总循环次数可大于N0，零件将永远不会产生破坏。

在有限寿命区的疲劳曲线上，N<N0对应的各点的应力值，为有限寿命下的疲劳极限。

对低碳钢而言，循环基数N0=106—107；对合金钢及有色金属，循环基数N0=108。

变应力σ与在此应力作用下断裂时的循环次数N之间有下列关系：4 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素主要有如下几个方面：4.1应力集中的影响前边提到的各疲劳极限，实际上是材料的力学性能指标，是用试件通过试验测出的。

现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。

了解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。

首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，应力即受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。

公式记为σ=F/S (其中，σ表示应力；F 表示施加的力；S表示受力面积)。

材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。

即使材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏也可能发生。

另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。

对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。

因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。

对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。

所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。

承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。

然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。

如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。

这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实。

如图4-1【a】所示的带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。

由试验结果可知：在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这个区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀（图4-1【b】）。

这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。

在Ⅰ-Ⅰ截面上，孔边最大应力σmax与同一截面上的平α表示为均应力σ之比，用τα称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数，τ而且试验结果还表明：截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。

因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆角过渡。

在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。

像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。

如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图4-2所示。

因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。

而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。

因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。

这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。

然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。

下面，就应力集中造成构件断裂，产生疲劳，举几个实例。

1、日本航空123号班机空难事件，发生于1985年8月12日，班机是波音747-100SR型，飞机编号JA8119。

搭载509名乘客及15名机组员，从日本东京的羽田机场，预定飞往大阪伊丹机场。

在御巢鹰山区附近的高天原山（距离东京约100公里）坠毁，520人罹难。

此次空难事件也是世界上牵涉到单一架次飞机的空难中，死伤最惨重的。

事故原因：日本官方的航空与铁道事故调查委员会，经过调查后，做出三点结论。

1）1978年6月2日，该飞机在大阪的伊丹机场曾损伤到机尾；2）机尾受损后，波音公司没有妥善修补，正常需要二排铆钉，但维修人员只是将损伤的部分补了一排铆钉，所以增加了接合点附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象；3）该处的压力壁在损坏后，造成四组液压系统故障（液压油泄漏），导致机师无法正常操控飞机。

2、2004年日本美浜核电站事故。

虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。

美浜核电站座落于东京西部大约320公里的福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有关的小事故。

2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备进行例行安全检查时突然爆裂。

虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。

2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死亡。

事故原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。

3、1998年德国ICE城际列车脱轨事件。

1998年6月3日，由慕尼黑开往汉保的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。

该列车由两辆机车和12辆拖车组成，事故发生后12辆拖车全部脱轨。

截止到6月17日，已有100人死亡，88人重伤。