【教育】浅谈机械零件的疲劳强度

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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

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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

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：