第5章 零件的疲劳强度分析(补充)-学生
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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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疲劳强度基础知识及分析计算实例
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
循环计数法
为预测承受变幅载荷历程构件的寿命，需要将复杂历程 简化为一些与可用恒幅试验数据相比的事件。这一将复杂 载荷历程简化为一些恒幅事件的过程，称为循环计数。目 前最常用的计数法为雨流技术法。
；zzzResult.rst为疲劳结果文件。
FE-SAFE疲劳计算实例 d、强度因子FOS计算设置
e、设置1e7为规定寿命。 点击OK按钮。
f、点击Analyse按钮。开始计算
FE-SAFE疲劳计算实例
g、点击Continue按钮
寿命值
FOS值
h、计算完毕预览结果
FE-SAFE疲劳计算实例
i、疲劳计算结果表示方式
展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的
破坏称为 “疲劳破坏”。
疲劳区
“疲劳破坏”是变应力作用下的失效形式。
疲劳纹 疲劳源
概述
疲劳破坏的特点：
a）疲劳断裂时：受到的 max 低于 b ，甚至低于 s 。
b）断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。—更具突然性，更危险。
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。
概述
二、变应力的类型 随机变应力
变应力分为： 循环应力
循环应力有五个参数：
随机变应力
max─最大应力； min─最小应力
m─平均应力； a─应力幅值
r min ─应力比（循环特性） max
循环计数法
为预测承受变幅载荷历程构件的寿命，需要将复杂历程 简化为一些与可用恒幅试验数据相比的事件。这一将复杂 载荷历程简化为一些恒幅事件的过程，称为循环计数。目 前最常用的计数法为雨流技术法。
；zzzResult.rst为疲劳结果文件。
FE-SAFE疲劳计算实例 d、强度因子FOS计算设置
e、设置1e7为规定寿命。 点击OK按钮。
f、点击Analyse按钮。开始计算
FE-SAFE疲劳计算实例
g、点击Continue按钮
寿命值
FOS值
h、计算完毕预览结果
FE-SAFE疲劳计算实例
i、疲劳计算结果表示方式
展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的
破坏称为 “疲劳破坏”。
疲劳区
“疲劳破坏”是变应力作用下的失效形式。
疲劳纹 疲劳源
概述
疲劳破坏的特点：
a）疲劳断裂时：受到的 max 低于 b ，甚至低于 s 。
b）断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。—更具突然性，更危险。
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。
概述
二、变应力的类型 随机变应力
变应力分为： 循环应力
循环应力有五个参数：
随机变应力
max─最大应力； min─最小应力
m─平均应力； a─应力幅值
r min ─应力比（循环特性） max
疲劳强度分析
r＝0.25 r＝0
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
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
疲劳强度分析
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。
机械零件疲劳强度计算例题
单向稳定变应力安全系数
S S
1
K a m
270 2 . 08 32 . 6 0 . 125 97 . 8 156
3 . 37
1
K a m
1 . 61 16 . 3 0 . 04 16 . 3
5 . 80
3.计算疲劳强度安全系数
2）在极限应力简图上标出工作应力点M，联接OM并延长与极限应力线交 与M ’ 3）计算疲劳强度安全系数
S max
max
219 219 60 60
3 . 65 S 2 . 5
图解法计算结果与解析法计算结果相近。
例3发动机连杆横截面上应力变化规律如图所示，求该应力的循环特性r、 应力幅σa和平均应力σm。
m max min / 2 130 . 4 65 . 2 2 MPa 97 . 8 MPa
T max WT
100000
max
16
25
3
MPa 32 . 6 MPa
min
T min WT
0
16
25
3
MPa 0 MPa
S S S S S
2 2
3 . 37 5 . 80 3 . 37
2
5 . 80
2 . 91
2
4.计算静强度安全系数
S
s
2 max
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4
2 max
400 130 . 4 32 . 6
2 2
2 . 74
例2一曲柄受脉动循环应力作用，在某截面处有最大弯曲应力σmax=120MPa，曲 柄材料为40Cr，调质处理，圆角处精磨。应力循环次数N=106，试用解析法和 图解法校核该截面处的安全系数是否满足要求。（已知σ-1=441MPa， σs=785MPa，φσ=0.2，弯曲疲劳极限的综合影响系数K σ=2.34，N0=107) 解：1用解析法计算疲劳强度安全系数 （1）确定材料性能
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，
PPT文档演模板
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
2020/11/18
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
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）
PPT文档演模板
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。
PPT文档演模板
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
第五章机械基础
5.3.2 滚动轴承
1 概述
标准件
1.1 构造
内圈：一般随轴转动，有滚道，限制滚动体的侧向移动 外圈：一般不转动，有滚道，限制滚动体的侧向移动 滚动体：核心元件，在滚道中产生滚动摩擦有球、圆柱磙子、圆
锥磙子等
球
圆柱滚子 滚针 圆锥滚子 鼓形滚子 非对称鼓形滚子
滚子
螺旋滚子 保持架：将滚动体均匀分开，避免相互碰撞，减小磨损（如果滚 动体接触，速度方向相反，是两倍），减少发热
18.2.2 滚动轴承类型的选择
转速：高转速选球轴承，低转速大载荷选磙子轴承 载荷：同时受径向和轴向载荷选角接触轴承或磙子轴承，主要受径向载
荷则选深沟球，推力大选推力角接触轴承 轴承内、外圈间的倾斜角要控制在允许范围 高速、轻载 为便于装拆可选用内外圈分离型 经济上球轴承比磙子轴承便宜 低速、重载
三、花键联接
由轴和轮毂孔周向均布的 多个键齿构成的联接称为 花键联接。在工作时，靠 侧面的挤压传递扭矩。与 普通平键相比具有承载力 高、轴和毂受力均匀、定 心性和导向性好等优点。 但加工需要专用设备和工 具，成本较高。
5.3轴承
轴承是机器中支承轴作回转运动的部件。 根据摩擦性质，轴承可分为滑动轴承和滚动 轴承。
2、根据轴线的形状不同分类
光轴 根据需要可制成空心轴 直轴 阶梯轴 按轴线形状分类曲轴：通过连杆可以把旋转运动变为直线运动 钢丝软轴：具有挠性，可以穿过 曲路传递运动或动力
二、轴的材料 由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴 的失 效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够 的疲劳强度、 较小的应力集中敏感性和良好的加 工性能等。
2．半圆键联接 半圆键联接，轴上键槽用尺寸与 半圆键相同的半圆键铣刀铣出，因 而键在槽中能绕其几何中心摆动以 适应毂上键槽的倾斜度。半圆键用 于静联接，其两侧面是工作面。其 优点是工艺性好，缺点是轴上的键 槽较深，对轴的强度影响较大，所 以一般多用于轻载情况的锥形轴端 联接
机械零件的疲劳强度
3.2.2疲劳极限应力图 材料在不同循环特性下的疲劳极限可以用极限应力图表
示。
r m a
极限平 均应力
极限应 力幅
r min m a max m a
常用的简化方法：
以对称循环疲劳极限点A（0， 1 ）和静应力的强度极
限点F（ B ，0）作与脉动疲劳极限点B（0 / 2 ，0 / 2 ）的
等效m感系系数数或m敏a a
2 1 0 0
a
k N 1 (k )D
m a
Sa
a a
k N 1
(k )D a m
Sa
ae (k )D a m
Sa
a a
k N 1 (k )D a m
Sa
ae (k )D a m
塑性变形只需按静强度计算
S
S a m
S
0 1.7 1 1.7 301 512 MPa 3、求kN
kN
m N0 N
9 107 5 105
1.39
4、求圆角处 (k )D
(k
)D
k
1.48 2.56 0.68 0.85
k 1 q( 1) 1 0.64 (1.75 1) 1.48
1.75
q=0.64
0.68
tg a 1 r m 1 r
a max min 1 r 常数 m max min 1 r
1、图解法
S
OL LC1 OM MC1
OL OM
LC1 MC1
OC1 OC1
最大应力安全系数 ：S
m ax max
m a m a
OG GC OC OH HC OC
平均应力安全系数
： Sm
m m
OG OH
工程材料与热加工复习资料-学生(含部分答案)
工程材料与热加工复习资料第1章材料的力学性能疲劳断口的三个区域。
疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三部分组成5．金属塑性的2个主要指标。
伸长率和断面收缩率6．金属的性能包括力学性能、_物理___性能、_化学_性能和__工艺_性能。
7．材料的工艺性能包括哪些？包括铸造性、焊接性、锻压性、切削性以及热处理性。
第2章金属的晶体结构与结晶二、问答题1．金属中常见的晶体结构有哪几种？(α-Fe、γ-Fe是分别是什么晶体结构)。
体心立方体晶格、面心立方体晶格、密排六方晶格。
α-Fe 是体心立方体晶格结构γ-Fe是面心立方体晶格结构晶体和非晶体的特点和区别。
2．实际晶体的晶体缺陷有哪几种类型？点缺陷、线缺陷、面缺陷。
3点缺陷分为：空位、间隙原子、置换原子4．固溶体的类型有哪几种?置换固溶体、间隙固溶体5．纯金属的结晶是由哪两个基本过程组成的?晶体的形成、晶体的长大6．何谓结晶温度、过冷现象和过冷度?纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下的结晶温度，称为理论结晶温度金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象理论结晶温度与实际结晶温度的差叫做过冷度过冷度与冷却速度有何关系？结晶时冷却的速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度就越低。
7．晶粒大小对金属的力学性能有何影响?在一般情况下，晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。
细化晶粒的常用方法有哪几种?增加过冷度、变质处理、振动或搅拌8．什么是共析转变？在恒定温度下，有一特定成分的固相同时分解成两种成分和结构均不同的新固相的转变成为共析转变二、填空题1．珠光体是由___铁素体_____和____渗碳体_____组成的机械混合物(共析组织)。
2．莱氏体是由_____奥氏体___和____渗碳体_____组成的机械混合物(共晶组织)。
3．奥氏体在1148℃时碳的质量分数可达____2.11%______，在727℃时碳的质量分数为____0.77%___。
4. 根据室温组织的不同，钢可分为___共_____钢、____亚共____钢和____过共___钢。
机械设计习题集第1-5章
机械设计课程习题集（填空、简答、计算题部分）（第一章~第五章）第一章 机械设计概论 填空题1-1 大多数机器都由( )、( )、( )三部分组成。
1-2 机械设计课程研究的对象是( )，研究的目的是( )。
1-3 进行机器设计时，除了要满足使用和经济方面的要求外，还要满足( )和( )方面的要求。
问答题1-4 写出下列标准代号的中文名称：GB JB ISO1-5 解释下列名词：零件构件通用零件专用零件1-6 简述机器和机械零件的设计过程。
1-7 简述机械零件标准化、系列化和通用化的意义。
1-8 机械零件有哪些主要的失效形式？1-9 设计机械零件时应满足哪些基本要求？第二章 机械零件的工作能力和计算准则选择题2-1 限制齿轮传动中齿轮的接触宽度是为了提高齿轮的( )。
A 硬度B 强度C 刚度D 工艺性2-2 因为钢材的种类和热处A -1B 0C 0.5D 12-4 改变轴的支承位置时，轴的刚度( )。
A 增大B 减小C 不变D 可能增大也可能减小2-5 增大零件的刚度，其抗冲击的能力( )。
A 增大B 减小C 不变D 不一定2-6 圆柱与圆柱间的接触应力σH 与所受载荷F 的关系是( )。
A F H ∝σB 2/1F H ∝σC 3/1F H ∝σD 理对弹性模量影响甚小，欲采用合金钢和热处理来提高零件的( )并无实效。
A 硬度B 强度C 刚度D 工艺性2-3 静应力的循环特性r=( )。
4/1F H ∝σ填空题2-7 稳定循环变应力的三种基本形式是( )、()ττ和( )。
2-8 有一传动轴的应力谱如图所示。
则其应力幅a τ=( )、平均应力m τ=( )、循环特性r =( )。
2-9 低副连接的零件的连接表面产生的应力称为( )，高副连接的零件的连接表面产生的应力称为( )。
2-10 零件发生的( )现象称为振动。
2-11 零件或系统在规定的时间内和规定的条件下能正常工作的概率称为( )。
2-12 在轴的直径有突变处会产生( )，增大( )和增加( )都使之减小。
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
39
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
24
第5章 结构疲劳寿命分析
R= -1时，弯曲载荷作用下的疲劳极限可估计为
Sf (弯曲）= 0.5Su
（当Su < 1400MPa）
Sf (弯曲）= 700MPa （当Su ≥ 1400MPa）
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（1） 疲劳极限Sf与极限强度Su的关系
R= -1时，轴向拉压载荷作用下的疲劳极限为
主要内容
一．疲劳的基本概念 二．疲劳分析基本理论 三．疲劳设计分析方法 四．疲劳分析工程应用案例
二．疲劳分析基本理论
根据结构作用的循环应力的大小，疲劳可分为 应力疲劳 和 应变疲劳
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
若最大循环应力Smax小于材料屈服应力Sy ，则称为应 力疲劳；因作用的应力循环水平较低，寿命循环次数 较高（疲劳寿命Nf一般大于106次），故称为高周疲 劳。
Sf (拉压）= 0.35Su
R= -1时，扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf (扭转）= 0.29Su
¾
注意：不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知，S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。 由S-N曲线的幂函数形式 S m N = C ，通过一定假设确定参数m和C。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
破坏的定义：
疲劳破坏有裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展断裂三个阶段。应 力疲劳理论只研究裂纹萌生寿命。因此定义“破坏”为
① ②
第五章 磨损的定义、分类、
1923 - 2002
一、磨损的定义
(1) 磨损是相对运动中所产生的现象，因而橡胶 表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不 属于磨损研究的范畴； (2)磨损发生在运动物体材料表面，其它非表面 材料的损失或破坏，不包括在磨损范围之内； (3) 磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直 接耗失材料和材料的转移(材料从一个表面转移 到另一个表面上去)，破坏包括产生残余变形， 失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说 明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然 的几次。
单位 时间 符 号
单 位 μm或 mm mm3 g 或mg
mm3/h或 mg/h mm3/m 或mg/m
名 称
符 号
单 位
h/mm h/mg或 h/mm3 1/mm 1/mg或 1/mm3
Wl Wv 或V Ww
耐磨性
& W −1
W－1
& Wt & Wl
相对耐 磨性
ε
单位 距离
磨损的评定 冲蚀磨损率Ev=
第一节 粘着磨损的定义和分类 粘着磨损过程: 粘着磨损实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形 成粘着结点和结点断裂而导致摩擦表面破坏并形成磨 屑的过程。 粘着磨损发生: 粘着磨损不仅在干摩擦状态下会发生，而且在边界润 滑条件下以及润滑不当时也会出现。如在齿轮、轴承 及液压元件表面等也会发生粘着磨损。 Why？ 齿轮、涡轮、刀具、模具、轴承等零件的失效都与粘 着磨损有关。 粘着磨损是一种常见的磨损形式，约占磨损中 的25％。
我国仅冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个部门的不完全 统计，每年仅由于磨料磨损而需要补充的备件就达100万吨钢 材，相当于15－20亿元。 耐磨钢铁件耐磨钢铁件主要用于冶金、电力、建材、建
《互换性与测量技术》课件第5章
5.2.2 表面粗糙度的评定参数 在标准中，将表面粗糙度的评定参数分为四类——幅度
参数、间距参数、混合参数和曲线参数。下面主要介绍评定 表面粗糙度的常用参数。
1．与高度特征有关的参数——幅度参数 1) 评定轮廓的算术平均偏差Ra Ra是指在一个取样长度内，轮廓上各点纵坐标绝对值的 算术平均值，如图5-8所示(图中的横坐标轴代表中线)。 Ra用公式表示为
轮廓支承长度率Rmr(c)与零件的实际轮廓形状有关，它是 反映零件表面耐磨性能的指标。对于不同的实际轮廓形状，
在相同的评定长度内给出相同的水平截面高度c时，Rmr(c)越 大，则表示零件表面凸起的实体部分就越多，承载面积就越
大，因而接触刚度就越高，耐磨性能就越好。图5-12(a)的轮 廓耐磨性能较好，图5-12(b)的轮廓耐磨性能较差。
(4) 耐腐蚀性方面。表面越粗糙，腐蚀性气体或液体越容 易在粗糙度的凹谷处聚集，并通过表面微观凹谷渗入到金属 内层，造成表面腐蚀。
(5) 接触刚度方面。表面越粗糙，表面间的实际接触面积 就越小，致使单位面积上的压力越大，造成峰顶处的局部塑 性变形加剧，接触刚度下降，从而影响机器的工作精度和平 稳性。
Rsm
1 m
m i 1
X si
同样，在计算参数Rsm时，需要判断轮廓单元的高度和间 距。若无特殊规定，缺省的高度分辨率应按Rz的10%选取，缺 省的间距分辨率应按取样长度的1%选取。且上述两个条件都
应满足。
图5-11 轮廓单元的平均宽度计算用图
3．与形状特征有关的参数—曲线参数 在标准中，共用了3个参数和两种曲线来表达轮廓的形状 特征。与其他参数不同的是，这些参数和曲线都不是定义在
取样长度上，而是定义在评定长度上。这里只介绍常用的一
疲劳分析介绍PPT学习教案
疲劳分析介绍
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
第1页/共42页
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）
。
第23页/共42页
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
第7页/共42页
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。
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）
。
第23页/共42页
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
第7页/共42页
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
b—接触长度
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
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
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？
机械零件的疲劳强度PPT共66页
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
机械零件的疲劳强度
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
机械零件的疲劳强度
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
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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
• 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
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
•
•
Mahle公司的活塞销试验
• 右图为试验和分析的关系性
• • •
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
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
• 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
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）
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？
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
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）
•
•
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