第3章 影响机械零件疲劳强度的因素.
第三章疲劳强度计算练习题
第三章机械零件的疲劳强度设计一、选择题3－1 45钢的持久疲劳极限σ-1＝270MPa,，设疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=5×106次，当实际应力循环次数N=104次时，有限寿命疲劳极限为____________MPa。
（1）539 （2）135 （3）175 （4）4173－2 有一根阶梯轴，用45钢制造，截面变化处过渡圆角的疲劳缺口系数Kσ=1.58，表面状态系数β＝0.28，尺寸系数εσ＝0.68，则其疲劳强度综合影响系数KσD=____________。
（1）0.35 （2）0.88 （3）1.14 （4）2.833－3 形状、尺寸、结构和工作条件相同的零件，采用下列不同材料制造：a）HT200；b）35钢；c）40CrNi钢。
其中设计零件的疲劳缺口系数最大和最小的分别是____________。
（1）a）和b）（2）c）和a）（3）b）和c）（4）b）和a）（5）a）和c）（6）c）和b）3－4 零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之____________。
（1）增高（2）不变（3）降低3－5 零件的形状、尺寸、结果相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度____________。
（1）较高（2）较低（3）相同3－6 零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度____________。
（1）增高（2）降低（3）不变（4）增高或降低视处理方法而定3－7 影响零件疲劳强度的综合影响系数KσD或KτD与____________等因素有关。
（1）零件的应力集中、加工方法、过载（2）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态（3）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中（4）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。
3－8 已知设计零件的疲劳缺口系数Kσ=1.3、尺寸系数εσ＝0.9、表面状态系数βσ＝0.8。
则疲劳强度综合影响系数KσD为____________。
2016年考研《机械设计》填空题(单数章节)
填空题第一章绪论1，机械零件由于某些原因不能正常工作时，称为失效。
第三章机械零件强度1，塑性材料在静载荷作用下产生的失效形式为塑性变形；脆性材料在静载荷作用下产生的失效形式为脆性破坏；不论何种金属材料在变载荷作用下产生的失效形式为疲劳强度失效。
2，受静应力的45钢零件，在强度计算时应取材料的屈服极限作极限应力。
3，在交变应力中，应力循环特性是指（最小应力与最大应力）的比值。
4，运用Miner理论分析对称循环的不稳定循环变应力时，若材料的持久疲劳极限为σ-1，计算时所考虑的应力幅σr应当是整个工作寿命期限内（大于σ-1）的应力幅。
5，零件疲劳强度设计时，在校核其危险截面处的强度时，发现该截面同时存在几个不同的应力集中源，其有效应力集中系数应按（各有效应力集中系数中的最大值）选取。
6，在静强度条件下，塑性材料的极限应力是（屈服极限σs），而脆性材料极限应力是（强度极限σb）。
7，若一零件的应力循环特性r=+0.5, σr=70N/mm2，此时σm为（210N/mm2），σmax为（280N/mm2），σmin为（140N/mm2）。
8，在任一给定循环特性的条件下，表示应力循环次数N与疲劳极限σrN的关系曲线称为（疲劳曲线（σ-N曲线）），其高周疲劳阶段的方程为（σr m N=σr m N0=C）。
9，影响机械零件疲劳强度的主要因素，除材料性能，应力循环特性和应力循环次数N外，主要有（应力集中），（绝对尺寸）和（表面状态）。
10，材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1=300N/mm2，循环基数N0=106，寿命指数m=9，当应力循环次数N=105时，材料的弯曲疲劳极限σ-1N=（387.5）N/mm2。
11，在静载荷作用下的机械零件，不仅可以产生（静）应力，也可能产生（变）应力。
12，在变应力工况下，机械零件的损坏将是（疲劳断裂），这种损坏的断面包括（光滑区和粗糙区）。
13，根据磨损机理，磨损可分为（粘着磨损），（磨料磨损），（接触疲劳磨损）和（腐蚀磨损）。
浅谈机械零件的疲劳强度
浅谈机械零件的疲劳强度内容摘要机械零件因生产制造不合格而毁坏，是造成机械设备运行出现异常的首要缘故。
在机械设备运作历程中，机械零件通过高温、高压等各种原因影响，产生衰老、损坏这些。
因此在机械零件的生产过程中，就必须对机械零件自身品质严格把关，尤其是对机械零件疲劳强度要良好掌握。
文中就提升机械零件疲劳强度的措施探讨，明确提出几个提议。
关键词：机械零件；疲劳强度；措施机械零件因生产制造不合格而毁坏，是造成机械设备运行出现异常的首要缘故。
在机械设备运作历程中，机械零件通过高温、高压等各种原因影响，产生衰老、损坏这些。
因此在机械零件的生产过程中，就需要对机械零件自身品质严格把关，尤其是对机械零件疲劳强度要良好掌握。
文中就提升机械零件疲劳强度的措施探讨，明确提出几个提议。
1 影响机械零件疲劳强度的因素1.1 应力集中的影响一切构造，像发动机轴、盘、机匣等都必然地存有阶梯、打孔、棒槽等造成横截面基因突变的地区。
当构造承受力时，在这种地区便会发生部分内应力集中扩大的状况，称之为应力集中。
很多疲惫毁坏安全事故和实验结果显示，疲惫源一直产生在应力集中的地区，应力集中使构造的疲劳强度减少，对疲劳强度有很大的影响，并且是影响疲劳强度众多要素中起关键功能的一个要素。
例如，法国陨星号飞机场便是由于整体机身枷钉孔处的应力集中造成气密性驾驶舱开裂而坠毁；原苏联设计的米文件格式飞机场就发生过很多飞机翼承重梁根处地脚螺栓孔处的疲惫裂痕；一IS发动机预制构件的疲惫裂痕大多数发生在有应力集中的斜角或健槽处这些。
1.2 表面状态的影响试样的制取技术对疲劳强度有较大影响，这一点早就在年就由不一样的专家学者表明了，那时候就已确立，试件表层上即使发生微小的伤疤也会使钢的疲劳强度显着降低。
进一步的研究表明，各种各样钢的疲惫特性所受表层问题的影响不一样。
钢的抗压强度愈高，缺点是疲劳强度减少愈大。
1.3 尺寸的影响尺寸对疲劳强度的不良影响的表述具体有内应力集中梯度方向的影响。
机械设计3-3
1200
σB/ M a P
附图3-4 钢材的表面质量系数 βσ 附图
返回
附表3-8 零件与轴过盈配合处的 ε 值 附表 σ
直径 /mm 配合 400 H7/r6 30 H7/k6 H7/h6 H7/r6 50 H7/k6 H7/h6 H7/r6 >100 H7/k6 H7/h6 2.25 1.69 1.46 2.75 2.06 1.80 2.95 2.22 1.92 500 2.50 1.88 1.63 3.05 2.28 1.98 3.28 2.46 2.13 600 2.75 2.06 1.79 3.36 2.52 2.18 3.60 2.70 2.34 σB/MPa 700 3.00 2.25 1.95 3.66 2.76 2.38 3.94 2.96 2.56 800 3.25 2.44 2.11 3.96 2.97 2.57 4.25 3.20 2.76 900 3.50 2.63 2.28 4.28 3.20 2.78 4.60 3.46 3.00 1000 3.75 2.82 2.44 4.60 3.45 3.00 4.90 3.98 3.18 1200 4.25 3.19 2.76 5.20 3.90 3.40 5.60 4.20 3.46
表示零件的尺寸系数。 通常用 εσ 、ετ 表示零件的尺寸系数。 附图3-3 附图 附图3-2 附图 尺寸系数愈小表示疲劳强度降低愈大。 尺寸系数愈小表示疲劳强度降低愈大。 螺纹联接件的尺寸系数（因截面为圆形，故只有尺寸影响） 螺纹联接件的尺寸系数（因截面为圆形，故只有尺寸影响） 见下表： 见下表：
三、表面状态的影响
1、表面质量 、 零件表面质量（主要指表面粗糙度，表面粗糙度参数值越小 零件表面质量（主要指表面粗糙度， 疲劳强度越高）对疲劳强度的影响， 疲劳强度越高）对疲劳强度的影响，通常用 βσ 、βτ 表示表面状 态的影响程度。 态的影响程度。 附图3-4 附图 2、表面处理 、 表示。 表面处理对疲劳强度影响用强化系数 βq表示。 附表3-9 附表 附表3-10 附表 附表3-11 附表 音乐欣赏 Flash欣赏 幽默笑话 欣赏 课间休息 写字板 补充材料 上一页 下一页 退出
第三章 影响疲劳强度的因素
• •
拉压缺口系数
Kf = (σ )
弯曲缺口系数
Kσ = (σ )
剪切缺口系数
Kτ =
K (τ −1 ) d
(σ −1 )d
K −1 d
(σ −1 )d
K −1 d
(τ −1 )d
主要的应力集中的影响特性： （1）钢的σb愈高，则有效应力集中系数Kσ及Kτ值愈 大。可见，高强度钢的Kσ及Kτ值比低碳钢大，所以应 力集中对刚强度钢的疲劳极限影响较大； （2）对于给定的直径d，圆角半径r愈小，则应力集 中愈严重。 （3）应力集中影响系数与σb之间的变化关系，可以 由已知的结果曲线插值得到；
3.4 其他因素的影响
（1）载荷类型：拉压最严重，其次是旋转载荷，弯曲载荷严重程度最小；
（2）加载频率： 正常频率——5～300Hz，一般认为在此加载频率范围内，疲劳 极限影响不考虑； 低频——0.1～5Hz：疲劳极限会降低； 高频——300～100000Hz：疲劳极限会升高。 加载频率影响还与加载应力有关，应力越高，频率影响越大。
这是因为大尺寸试件含有更多的疲劳损伤源裂纹萌生的概率就高从而导致疲劳强度下上面两个试样承受弯矩m的作用若两个试样的最大应力max相同对某一高应力区域来说大试样在此应力区域内的金属晶颗粒数要大于小试样在此应力区域的金属晶颗粒数对疲劳强度来说至少要有一定数量的晶粒达到某一应力极限值时才会产生疲劳裂纹
第三章 影响疲劳强度的因素
（3）载荷波形：主要是在高温腐蚀环境下影响较明显，主要是最大载荷停留 时间的影响；而一般的适用环境可以不考虑该影响。
q= K f −1 Kt −1
（3）敏感系数q和力流线 敏感系数q在0～1之间变化。
q=
K f −1 Kt −1
第3章 影响机械零件疲劳强度的因素
极限应力线图
极限应力线图用来表示平均应力对疲劳强度的影响 在疲劳设计中，常用平均应力折算系数将平均应力折算为等效应力 幅 常用的极限应力线图有三种
1 q 1 a / r 1 q 1 0 .6 a / r
赵少卞和王忠保公式
赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲
劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计 算公式：
K
Kt 0.88 AQb
(3 8)
a 1[1 ( m / b ) ]
2
(3 17)
(3 18)
各计算公式中
1899年的古1 m / s )
a 0.5( max min ) 1 R m 0.5( max min ) 1 R
tan
海夫图比史密斯图醒目，使用更 广泛。
等寿命图
表示相同寿命时不同
应力比下的疲劳极限 间关系的线图都是等
寿命图。即给定寿命
下σa、 σm 、
σmax 、 σmin 间关
表面加工系数β1 、腐蚀系数β2、表面强化系数β3。
表面加工系数β1 定义：具有某种加工表面的标准光滑试样与磨光（抛光）标准光滑试样的疲 劳极限之比
1 1 1 1
(3 11)
图表。加工方法对疲劳强度的影响是三种因素共同作用的结果，很难分别考 虑各自的影响，一般根据实验用图表来表示。 不同循环次数N下的β1-sb关系曲线
第三章 影响疲劳强度的因素
（3）由D/d<2时折算系数 ξ 曲线，可查得D/d＝1.1时得 折算系数ξ＝0.65 （4）将上述结果代入公式Kσ＝1+ξ（Kσ0-1），即可求得 该圆轴得有效应力集中系数 Kσ＝1+ξ（Kσ0-1）＝1+0.65×（2.10-1）＝1.72 零件外形改变得形式不同，其有效应力集中系数也 不同。其他各种形式（如油孔、键槽、螺纹）得有效应 力集中系数值，可查阅有关得“设计手册”。
• •
尺寸效应的影响可由对比试验测得。 设对称循环下，光滑大试样的疲劳极限为（σ－1）d，光滑小试样的疲劳极限 为σ－1，则两者的比值称为尺寸效应系数，用ε表示。 ε＝（σ－1）d/σ－1 Ε总是小于1的系数，对于拉压试样，可取ε＝1，表示不受尺寸影响。
• •Βιβλιοθήκη 3.3 表面光洁度表面光洁度对疲劳强度有很大的影响，零件经过加工后所造成的表面缺陷， 是引起应力集中的因素，因而降低了疲劳强度。 表面加工对疲劳极限的影响，可用“表面加工系数”β1表示。 β1是某种加工试样的疲劳极限与标准试样的疲劳极限的比值，他是一个小于 1的系数，表示疲劳极限降低的百分数。
主要的应力集中的影响特性： （4）下图中得所有曲线只适用于D/d＝2，d＝30～50mm的大试样情况， 当D/d<2时，有效应力集中系数按下式折算 Kσ＝1+ξ（Kσ0-1） Kτ＝1+ξ（Kτ0-1）
例，已知某矿车车轮轴为合金钢制造，其材料的抗拉强 度σb＝900MPa。如图所示，D＝44mm，d＝40mm，圆 角半径r＝2mm，确定此轴在弯曲对称循环时的Kσ值。 解： （1）车轴尺寸的几何关系 D/d＝44/40＝1.1 r/d＝2/40＝0.05 （2）由弯曲时有效应力集中关系数Kσ0曲线可知 对于σb＝500MPa的钢，Kσ0＝1.90 对于σb＝1200MPa的钢，Kσ0＝2.25 对于σb＝900MPa的钢，可用直线内插法求得 Kσ0＝1.90+(900-500)/(1200-500)×(2.25-1.90)＝2.10
第3章影响机械零件疲劳强度的因素
K f 1 12345
(3 3)
❖ 敏感系数法。世界通用的方法。利用理论应力集中系数Kt和疲劳缺口敏感系 数q来计算疲劳缺口系数。（比较重要的公式）
K f 1 q(Kt 1)
(3 4)
❖ 由于有缺口，使局部应力提高的倍数为Kt，使疲劳强度降低的倍数为Kf。
➢ 国外，通常把有效应力集中系数称为疲劳缺口系数，并常用Kf统一表示正应力和切 应力下的疲劳缺口系数。
❖ 有效应力集中系数(Kf)的其他叫法：疲劳缺口系数、疲劳强度降低系数。
确定有效应力集中系数Kf的方法
❖ 疲劳试验法。根据Kf的定义直接进行疲劳试验，得到相关的曲线（只适用于 一定的形状和材料）
q 1 1 a/r
q
1 1 0.6a / r
赵少卞和王忠保公式
赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲 劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计 算公式：
K
Kt 0.88 AQb
(3 8)
❖ 式中，A，b为与热处理方式有关的常数； Q为相对应力梯度。
➢ 1899年的古德曼直线
(3 17)
a 1(1 m / b )
(3 18)
➢ 1935年的索德贝尔格直线
a 1(1 m / s )
➢ 1950年的谢联先折线
(3 19)
1 R 0 时 a 1 m )
(3 20a)
R 0时
a
( 0
/
2)(1 '
)
'
m
)
机械设计简答题填空题
第二章．1、效。
主要表现为磨损.变形.断裂.蚀损2、什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？承载能力。
3、什么是静载荷.变载荷.名义载荷.变应力？静载荷:大小，位置方向都不变或变化缓慢的载荷；动载荷指，大小位置和方向随时间变化的载荷。
名义载荷:的，平稳工作条件下作用在零件上的载荷，计算载荷:载荷系数k与名义载荷的乘积。
4、稳定循环变应力σmax，σmin，σa，σm，r数代表什么？列出据已知零件的σmax，σmin计算σa σm，及r公式σmax最大应力，σmin最小应力，σa应力幅，σm应力，r循环特性。
σa= （σmax- σmin）/2，σm=（σmax+ σmin）/2，r= σmin/σmax5、提高零件强度的措施有那些？工艺提高零件的表面质量减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸第三章．2、扩展直至发生疲劳断裂。
5、件疲劳强度的措施有哪些？答：1顺序和频率。
2)可能发生的初始裂纹的尺寸。
9、ψσ和ψτ俞高，ψσ和ψτ的值愈大还是愈小？对循环不对称性的敏感俞小第四章．1、低摩擦，减少磨损2、滑动摩擦可分分为哪几种？四种:干摩擦.流体摩擦.混合摩擦.边界摩擦3、根据磨损机理的不同，磨损通常可分为哪几种类型？们各有什么主要特点？反应。
4、机械零件的磨损过程分为那3长零件的寿命？温度过高。
第六章．3、成a转动。
4、哪些？答：1锁住和破坏螺纹副关系三种。
2）利用对顶螺母，胶接等等。
8、常用的提高螺纹联结强度的措施有那些？1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅2改善螺纹牙上载荷分布不均的现象3减小应力集中的影响4避免附加弯曲应力5采用合理的制造工艺方法9，在螺栓连接中，匀？答：1.载荷分布不均匀的现象。
2.悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母，钢丝螺母等等结构。
第七章．1、普通平键的公称长度L与工作长度l答：圆头平键工作长度l = L- bl = Ll = L -b/2,b的宽度2、键的剖面尺寸b×h和键的长度L是如何确定的？压传递转矩。
第三章疲劳强度计算练习题
第三章机械零件的疲劳强度设计一、选择题3－1 45钢的持久疲劳极限σ-1＝270MPa,，设疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=5×106次，当实际应力循环次数N=104次时，有限寿命疲劳极限为____________MPa。
（1）539 （2）135 （3）175 （4）4173－2 有一根阶梯轴，用45钢制造，截面变化处过渡圆角的疲劳缺口系数Kσ=1.58，表面状态系数β＝0.28，尺寸系数εσ＝0.68，则其疲劳强度综合影响系数KσD=____________。
（1）0.35 （2）0.88 （3）1.14 （4）2.833－3 形状、尺寸、结构和工作条件相同的零件，采用下列不同材料制造：a）HT200；b）35钢；c）40CrNi钢。
其中设计零件的疲劳缺口系数最大和最小的分别是____________。
（1）a）和b）（2）c）和a）（3）b）和c）（4）b）和a）（5）a）和c）（6）c）和b）3－4 零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之____________。
（1）增高（2）不变（3）降低3－5 零件的形状、尺寸、结果相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度____________。
（1）较高（2）较低（3）相同3－6 零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度____________。
（1）增高（2）降低（3）不变（4）增高或降低视处理方法而定3－7 影响零件疲劳强度的综合影响系数KσD或KτD与____________等因素有关。
（1）零件的应力集中、加工方法、过载（2）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态（3）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中（4）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。
3－8 已知设计零件的疲劳缺口系数Kσ=1.3、尺寸系数εσ＝0.9、表面状态系数βσ＝0.8。
则疲劳强度综合影响系数KσD为____________。
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。
影响零件疲劳强度的主要因素有
1.影响零件疲劳强度的主要因素有：应力集中、尺寸大小、表面加工质量。
2.静连接与动连接的强度计算区别：压溃（工作面上挤压应力强度校核）、过度磨损（工作面上压力强度校核）3.标准蜗杆传动中，蜗杆直径系数 q 与刚度的关系： d=mq( 模数*系数 )4．螺纹连接防松：一旦松动，轻者影响机器的正常运转，重者造成严重事故。
常用防松措施：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系。
5.紧螺栓连接中，螺栓刚度对应力辐的影响：降低螺栓刚度或增加被连接件刚度可减小应力辐。
6.双键连接时，切向键两者夹角120－ 130 度，平键 180 度。
7不完全液体润滑径向滑动轴承，要进行验算轴承的平均压力p、轴承的 pv 值、滑动速度 v 条件性计算。
液体润滑径向滑动轴承。
8蜗杆传动中，蜗杆头数与传动效率及自锁性关系：头数越多，传动效率越高，自锁性越不好。
9.带传动中其他参数不变，只有小轮有两种速度，当传递功率不变时应按低速设计该带传动。
按低速的，当功率不变时，速度低的受力大，按力大的选择带传动，保证带的强度。
10.链传动中，为什么链条磨损后更容易从大链轮上脱落：磨损后节距变长，滚子沿大链轮外疲劳强度计算依据：疲劳损伤累移，大链轮容易发生掉链爬高现积假说。
象。
设计时减少大链轮齿数，减17. 为什么小链轮齿数不能选得少滚子沿大链轮的外移量。
过少、大链轮齿数不得过多：齿11.一双齿轮传动中， 1.5 倍。
数过少增加运动的不均匀性和12.在机械设计和使用机器时应动载荷，链条在进入和退出啮合遵从力求缩短磨合期、延长稳定时链接之间的相对转角增大，链磨损期、推迟剧烈磨损的到来。
传动的圆周力增大，从整体上加13.一对啮合的标准圆柱齿轮传速铰链和链轮的磨损。
过大增大动，若齿轮齿数分别为z1 小于了传动的整体尺寸、还容易发生z2,这对齿轮的弯曲应力 1 大于跳链和脱链的现象，从而影响链2. 条使用寿命。
14.普通紧螺栓连接受横向载荷18. 带传动发生打滑的原因：如作用，螺栓中受拉伸应力作用。
机械零件疲劳强度的影响因素论析
机械零件疲劳强度的影响因素论析摘要：疲劳研究一直以来是国内外的一个焦点。
随着科学的发展，疲劳研究已经逐步向研究材料内部结构发展。
而在疲劳设计中，将材料的名义强度转化为具体零件在工作环境下的疲劳强度，是机械设计中不可回避的问题。
因此对零件疲劳强度影响因素的研究是十分重要的。
以机械零件疲劳强度的影响因素为研究对象，旨在对相关机械零部件的疲劳强度的研究提供经验借鉴和实践指导。
关键词：机械零件；疲劳强度；尺寸效应疲劳强度的研究目前在航天、航空、造船和原子能等各领域都具有十分重要的意义。
影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多，是至今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本原因，因此对疲劳强度或疲劳寿命影响因素的深入研究，仍是十分有意义的工作。
1.机械零件疲劳主要影响因素分析及对策1.1表面加工的影响由于机械零件的疲劳裂纹的最大应力大多产生于材料的表层，因此材料本身的表面质量对于疲劳强度的影响显著。
目前机械零件大都为弹簧材料，在不断的轧制、拉拔和卷制中会出现裂纹，此外，机械零件表面原本不太显著的伤痕、斑点等也是日后加剧弹簧疲劳断裂的潜在因素。
材料表面的光滑与粗糙是衡量疲劳强度的重要指标。
越粗糙，应力集中越小，由此所引起的疲劳强度就越高。
材料的粗糙度通过疲劳极限起作用。
不考虑其他因素，机械零件粗糙度高，疲劳极限就低。
因此，对机械材料的表面进行强压、滚压、磨削以及抛丸等，能有效地增强材料表面的光滑度，提高材料的疲劳强度系数。
常用的方法有两种，表面热处理和表面机械强化。
表面热处理即通过高频淬火效应、氮化反映的作用下，采用渗碳、氰化等措施，提高机械构件表层材料的抗疲劳强度能力。
表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。
1.2应力集中的影响应力集中是指机械零件的某些构件由于受到压力在几何外形和外形的尺寸上发生局部性的应力增大的现象。
应力集中对于脆性材料构件有非常显著的影响，会导致其断裂，使物体出现疲劳裂纹。
第3章 机械零件的疲劳强度
第3章机械零件的疲劳强度㈠基本内容：1. 疲劳断裂特征；2.疲劳曲线和疲劳极限应力图；3.影响机械零件疲劳强度的主要因素；4.许用疲劳极限应力图；5.机械零件的疲劳强度；6.稳定变应力时安全系数的计算；7.规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度；㈡重点与难点：1重点：疲劳曲线和疲劳极限应力图；许用疲劳极限应力图；影响机械零件疲劳强度的主要因素；机械零件的疲劳强度；稳定变应力时安全系数的计算.2难点：绘制简化的零件疲劳极限应力图；根据许用疲劳极限应力图预测零件的失效；用图解法和解析法计算零件安全系数.㈢基本要求：1熟记疲劳曲线和疲劳极限应力图；2掌握材料的疲劳极限应力图与零件的许用疲劳极限应力图的区别；3掌握机械零件的疲劳强度的概念；4掌握零件的工作安全系数的计算方法.3.1 疲劳断裂特征在变应力下工作的零件，疲劳断裂是主要的失效形式之一。
表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个阶段：第一阶段是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，疲劳源可以有一个或数个；第二阶段是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。
实际上，材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、酸洗等都有可能产生初始裂纹。
因此一般说零件的疲劳过程是从第二阶段开始的，应力集中促使表面裂纹产生和发展。
疲劳断裂截面是由表面光滑的疲劳发展区和粗糙的脆性断裂区组成。
零件在变应力下反复变形，裂纹周期地压紧和分开，使疲劳发展区呈光滑状态，在电子显微镜下放大观察，有以疲劳源为中心，间隔为0．1 m一1 m的同心疲劳纹。
每一疲劳纹表示每次应力循环使裂纹延伸的结果。
人眼所见到的同心弧状前沿线是由于机器开停或载荷不稳定使裂纹前进不均衡所造成的。
当载荷稳定时，前沿线可能很轻微甚至没有。
此外，还可以看到自疲劳源向外辐射的条纹，称垄沟纹，粗糙的脆性断裂区是由于剩余截面静应力强度不足造成的。
截面大小与所受载荷有关。
机械零件部分课后习题答案
机械设计习题第3章疲劳强度问答题1.问：试述零件的静应力与变应力是在何种载荷作用下产生的？答：静应力只能在静载荷作用下产生，变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。
2、稳定循环变应力的种类有哪些？画出其应力变化曲线，并分别写出最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、应力幅σa与应力循环特性γ的表达式。
答：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力3、机械零件疲劳破坏的特征有哪些？机械零件疲劳强度与哪些因素有关？特征：（1）疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和突然发生脆性断裂三个阶段（2）断裂面：疲劳源、光滑的疲劳区、粗糙的断裂区（3）无明显塑性变形的脆性突然断裂（4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。
4、如何由σ-1、σ0和σs三个试验数据作出材料的简化极限应力图？5、相对于材料，影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？综合影响因素（Kσ）D的表达式为何？如何作零件的简化极限应力图？应力集中、零件尺寸、表面状态6、应力集中、零件尺寸和表面状态是否对零件的平均应力σm和应力幅均有影响？只对应力幅有影响，对平均应力没有明显影响7、按Hertz公式，两球体和圆柱体接触时的接触强度与哪些因素有关？外载荷F、ρΣ、弹性模量E、泊松比u以及b8.问：零件的等寿命疲劳曲线与材料试件的等寿命疲劳曲线是否相同？答：两者不同，零件的等寿命疲劳曲线需考虑零件上应力集中对材料疲劳极限的影响。
9.问：疲劳损伤线性累积假说的含义是什么？答：该假说是：在每一次应力作用下，零件寿命就要受到一定损伤率，当损伤率累积达到100%时（即达到疲劳寿命极限）便发生疲劳破坏。
通过该假说可将非稳定变应力下零件的疲劳强度计算折算成等效的稳定变应力疲劳强度。
10.问：机械零件上的哪些位置易产生应力集中？举例说明。
如果零件一个截面有多种产生应力集中的结构，有效应力集中系数如何求取？答：零件几何尺寸突变（如：沟槽、孔、圆角、轴肩、键槽等）及配合零件边缘处易产生应力集中。
机械设计3-3
0.25 1.72 1.69 1.67 1.65 1.62 1.55 1.46 1.40 1.34 1.24
0.30 1.61 1.59 1.58 1.55 1.53 1.47 1.40 1.36 1.31 1.22
下一页 返回
简图
附表3-1 轴上环槽处的理论应力集中系数
应 公称应 力 力公式
（拉伸、弯曲）或 （ 扭转剪切）
32
dD2 6
公称扭转应力 T
T
D3
16
dD2 6
d/D 0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 d/D 0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
3.0 2.46 2.25 2.13 2.03 1.96 1.89
2.0 1.78 1.66 1.57 1.50 1.46 1.42
H7/h6 1.92 2.13 2.34 2.56 2.76 3.00 3.18 3.46
注：⑴滚动轴承与轴配合处的
k
值与表内所列H7/r6配合的
k
值相同；
⑵表中无相应的数值时，可按插入法计算。
返回
附表3－9 表面高频淬火的强化系数βq
试件种类
试件直径/mm
βq
无应力集中
7～20 30～40
返回
●
●
0.88
查表过程
●
1.75
返回
返回
返回
抛光
0.8
0.6
0.4
0.2 400 600 800 1000 1200
B / MPa
附图3-4 钢材的表面质量系数
返回
附表3-8
机械设计整理答案
机械设计整理答案第三章机械零件的疲劳强度设计1.计算机械零件疲劳强度的两种方法是什么？计算标准是什么？答：a安全-寿命设计：在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。
b破损-安全计算：允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠地工作。
2.在可变应力条件下，机械零件的疲劳断裂和失效过程是什么？答：第一阶段是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，可以有多个或数个；第二阶段是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。
4什么是压力循环基数？一般碳钢和高硬度合金钢的循环基数是多少？答：应力循环基数（no），即对应于疲劳试验曲线上接触强度极限的应力循环数。
普通碳钢：10*6-10*7高硬度合金钢：10x10*7-25x10*75按疲劳曲线（σ―n）设计零件时，适用的条件是什么？当循环次数n<10*4时，（σ―n）曲线是否适用？为什么？在这种情况下应如何处理？答：对于循环特性R下的可变应力，N次循环后材料不会受损。
不适用。
疲劳极限很高，接近屈服极限，屈服极限几乎与循环次数的变化无关。
一般可根据静应力强度计算。
7影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？提高机械零件疲劳强度的措施有哪些？A:1）应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率。
2）减少应力集中的影响；选择具有高疲劳强度的材料或指定可提高材料疲劳强度的热处理方法和强化工艺，以改善零件的表面质量；尽可能减少或消除零件表面可能出现的初始裂纹尺寸。
8机械零件在受载时在什么地方产生应力集中？应力集中与材料的强度有什么关系？答：1）零件受载时，在几何形状突然变化处要产生应力集中。
2）降低应力集中，可以提高零件的疲劳强度。
9.如何区分可变应力是稳定的还是不稳定的？如何计算稳定变应力下零件的强度？如何计算零件在规则不稳定变应力下的强度？答：1）在每次循环中，平均应力，应力幅和周期都不随时间变化的变应力为稳定变应力，若其中之一随时间变化的则成为非稳定变应力。
影响零件疲劳强度的主要因素有
1.影响零件疲劳强度的主要因素有：应力集中、尺寸大小、表面加工质量。
2.静连接与动连接的强度计算区别：压溃（工作面上挤压应力强度校核）、过度磨损（工作面上压力强度校核）3.标准蜗杆传动中，蜗杆直径系数q与刚度的关系：d=mq(模数*系数)4．螺纹连接防松：一旦松动，轻者影响机器的正常运转，重者造成严重事故。
常用防松措施：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系。
5.紧螺栓连接中，螺栓刚度对应力辐的影响：降低螺栓刚度或增加被连接件刚度可减小应力辐。
6.双键连接时，切向键两者夹角120－130度，平键180度。
7不完全液体润滑径向滑动轴承，要进行验算轴承的平均压力p、轴承的pv值、滑动速度v条件性计算。
液体润滑径向滑动轴承。
8蜗杆传动中，蜗杆头数与传动效率及自锁性关系：头数越多，传动效率越高，自锁性越不好。
9.带传动中其他参数不变，只有小轮有两种速度，当传递功率不变时应按低速设计该带传动。
按低速的，当功率不变时，速度低的受力大，按力大的选择带传动，保证带的强度。
10.链传动中，为什么链条磨损后更容易从大链轮上脱落：磨损后节距变长，滚子沿大链轮外移，大链轮容易发生掉链爬高现象。
设计时减少大链轮齿数，减少滚子沿大链轮的外移量。
11.一双齿轮传动中，1.5倍。
12.在机械设计和使用机器时应遵从力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来。
13.一对啮合的标准圆柱齿轮传动，若齿轮齿数分别为z1小于z2,这对齿轮的弯曲应力1大于2.14.普通紧螺栓连接受横向载荷作用，螺栓中受拉伸应力作用。
15.带传动有效拉力与预紧力、包角、摩擦系数的关系：正比关系。
最小初拉力直接决定临界摩擦力的大小，增加摩擦系数和带轮的包角有利于增大临界摩擦力，相应地降低最小初拉力。
16单向规律性不稳定变应力的疲劳强度计算依据：疲劳损伤累积假说。
17.为什么小链轮齿数不能选得过少、大链轮齿数不得过多：齿数过少增加运动的不均匀性和动载荷，链条在进入和退出啮合时链接之间的相对转角增大，链传动的圆周力增大，从整体上加速铰链和链轮的磨损。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
敏感系数q的确定
敏感系数q是材料对应力集中敏感性的一种程度,q=0~1,由(3-4),得
q
K f 1 Kt 1
(3 5)
q=1，此时Kf=Kt，表示材料对应力集中非常敏感。塑性较差的高强度钢接近于 1； q=0，Kf=1,材料对应力集中没有反应。如，铸铁。（铸铁内含大量的石墨杂 质，相当于很尖锐的裂纹，其影响几乎完全掩盖了应力集中的影响） q值与材料强度极限σb有关，若σb增大，则q增大；若晶粒度与材料性质不均 匀，则q减小；q值还与缺口曲率半径有关，r减小，q增大。 q值的确定方法有多种，工程上有许多计算公式和曲线。 常用的确定q值的方法
一般情况下Kt值可由手册上的图表查得。
Kt值与构件的几何形状有关，又称为形状系数。
名义应力即平均应力 P n Wt
二. 有效应力集中系数
无应力集中试样的疲劳极限与和其净截面尺寸及终加工方法相同的有应
力集中试样的疲劳极限之比，叫做有效应力集中系数。 可以表示为:
Kf 光滑试件的疲劳极限 1 ' 1 有缺口试件的疲劳极限 1
1 q 1 a / r 1 q 1 0 .6 a / r
赵少卞和王忠保公式
赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲
劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计 算公式：
K
Kt 0.88 AQb
(3 8)
尺寸、表面状况、平均应力、复合应力、加载频率、应力波
形、停歇、腐蚀介质和温度等。
本章主要介绍形状、尺寸、表面状况、平均应力、加载频率、
应力波形与停歇对疲劳强度的影响。
2
机械强度与可靠性——
第3章 疲劳强度影响因素
3.1 形状因素
应力集中 结构受力时，其截面突变的地方（如台阶、开孔、榫槽等） 会出现局部应力增大的现象，称为应力集中。 应力集中对静强度的影响
机械强度与可靠性
西南交通大学电子讲义
第3章 影响机械零件疲劳强度的因素
1
机械强度与可靠性——
第3章 疲劳强度影响因素
概述
材料的疲劳极限和S-N曲线只能代表标准光滑试样的疲劳性
能,实际零件的尺寸、形状和表面状况各式各样，与标准试 件差别很大。
影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中最主要的是形状、
式中，A，b为与热处理方式有关处理方式 正火钢 A 0.432 b 0.279
相对应力梯度Q值按表3-2计算
热轧钢
淬火后回火
0.336
0.290
0.345
0.152
机械强度与可靠性——
第3章 疲劳强度影响因素
3.2 尺寸效应
零件或试样的尺寸增大，则疲劳强度降低，这种疲劳强度随尺寸增大而降低 的现象称为尺寸效应。 尺寸系数ε 尺寸系数ε定义为：当应力集中与终加工情况相同时，尺寸为d的大试样或零 件的疲劳极限与标准直径的试样的疲劳极限之比。即：
K f 1 12345
(3 3)
敏感系数法。世界通用的方法。利用理论应力集中系数Kt和疲劳缺口敏感系 数q来计算疲劳缺口系数。（比较重要的公式）
K f 1 q( K t 1)
(3 4)
式中，K t为理论应力集中系数； q为疲劳缺口敏感系数， 它与材料性能 b、缺口半径r有关；
与材料性质有关。对脆性材料影响较大，对塑性材料影响小。 塑性材料在破坏前有一个宏观的塑性变形过程，使零件上的应 力重新分配，自动趋于均匀化。因此应力集中对塑性材料的静强 度影响小。
应力集中对疲劳强度的影响
疲劳破坏事故和试验表明，疲劳源总是出现在应力集中的地方， 应力集中使结构的疲劳强度降低。 疲劳破坏时截面上的名义应力未达到屈服极限，而局部应力高导 致屈服，使疲劳强度降低，为结构的薄弱环节。 疲劳设计必须考虑应力集中的影响。
有效应力集中系数(Kf)的其他叫法：疲劳缺口系数、疲劳强度降低系数。
确定有效应力集中系数Kf的方法
疲劳试验法。根据Kf的定义直接进行疲劳试验，得到相关的曲线（只适用于 一定的形状和材料） 影响系数法。根据零件的材料、形状等影响因素，分别计算影响系数，再按 下面的经验公式计算（日本常用该方法）：
3
一. 理论应力集中系数
应力集中使零件的局部应力提高，在缺口或其他应力集中处的局部应
力与名义应力的比值，称为理论应力集中系数。
理论应力集中系数表示在静载荷的作用下，构件局部应力的严重程度。
用Kt来表示。
Kt
t n n为有应力集中截面的名 义应力。
式中， t为应力集中处的最大局 部应力；
对称弯曲 对称扭转
1d 1 1d 1
无缺口光滑大试样 对称弯曲或扭转疲劳极限
标准尺寸试样对称弯曲或扭转疲劳极限
11
标准试样直径d0=6~10mm。 中低强度钢d0取9.5mm； 高强度钢d0取7.5mm或6mm
尺寸效应机制（目前还不完善）
工艺因素
大型零件的铸造质量比小型零件差，大零件缺陷比小零件多； 大截面零件的锻造比或压延比都比小零件小； 大型零件热处理冷却速度比小零件慢，淬透深度小； 大型零件加工时的切削力、切削热与小零件不同； 大型零件的材质比小型零件差。 以上因素，使大型零件的疲劳强度降低。
诺伯公式（Neuber）（机械工程手册推荐） 彼特逊公式（Peterson）（英国疲劳设计准则推荐） 常见材料的敏感系数q的统计数值（表3-1）（略）
诺伯公式（Neuber）
1 q 1 A / r
式中，r为缺口半径； A为参数，从图3-2查出
q值也可以直接从图3-3查出
彼特逊公式（Peterson）
对于拉伸应力， K f K 对于剪切应力， K f K
有效应力集中系数主要用来表征应力集中对疲劳强度的降低作用 由于有缺口，使局部应力提高的倍数为Kt，使疲劳强度降低的倍数为Kf。
国外，通常把有效应力集中系数称为疲劳缺口系数，并常用Kf统一表示正应力和切 应力下的疲劳缺口系数。