机械设计疲劳强度
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂什么是疲劳强度和疲劳断裂？疲劳强度是指材料在反复受到应力载荷作用下，发生疲劳断裂之前的最大应力强度。
疲劳断裂是指材料在反复应力作用下发生的突然断裂，它是一种重要的机械零件失效模式。
为什么要研究疲劳强度与疲劳断裂？在机械设计中，许多工作条件会引起局部应力集中，导致机械零件受到疲劳应力的作用。
如果机械零件的疲劳强度不够高，就会发生疲劳断裂，导致机械零件失效。
因此，研究疲劳强度和疲劳断裂是为了保证机械零件的可靠性和安全性。
影响机械零件疲劳强度与疲劳断裂的因素机械零件的疲劳强度和疲劳断裂受到许多因素的影响，以下是一些常见的因素：1.材料特性：材料的强度、韧性和疲劳寿命等特性会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
一些金属材料具有较高的疲劳强度和疲劳韧性，而一些非金属材料则较低。
2.载荷特性：载荷的频率、幅值和载荷类型（拉伸、压缩、扭转等）对机械零件的疲劳强度和疲劳断裂有着重要影响。
高频率和大幅度的载荷容易导致疲劳断裂。
3.制造工艺：制造过程中的缺陷（如裂纹和夹杂物）会使机械零件的疲劳强度降低，从而增加疲劳断裂的风险。
4.工作环境：工作环境中的温度、湿度和腐蚀等因素也会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
如何评估机械零件的疲劳强度与疲劳断裂？评估机械零件的疲劳强度和疲劳断裂是一个复杂的过程，通常需要借助实验和数值模拟等方法。
1.实验方法：通过设计和进行疲劳试验，可以获取机械零件在不同应力载荷下的疲劳寿命和断裂情况。
实验方法可以帮助工程师确定不同材料和设计方案的疲劳强度，并提供实际应用中的可靠性数据。
2.数值模拟：利用计算机仿真方法，可以预测机械零件在特定工况下的疲劳强度和疲劳断裂情况。
数值模拟方法可以节省时间和成本，并帮助工程师在设计阶段优化零件的几何形状和材料选择。
如何提高机械零件的疲劳强度？为了提高机械零件的疲劳强度，可以从以下几个方面进行优化：1.材料选择：选择具有较高疲劳强度和疲劳韧性的材料，例如高强度钢、铝合金等。
机械零件的疲劳强度设计
累积循环次数
疲劳寿命
－－寿命损伤率
显然，在 的单独 作用下，
当 ， 寿命损伤率＝1 时，就会发生疲劳破坏。
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独 立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率 之和等于1时，则会发生疲劳破坏。
即：
上式即为Miner法则的数学表达式，亦即疲劳损伤线性累积假说。
注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。
二、疲劳强度设计
损伤等效
根据Miner法则，将规律性变幅循环应力 等效恒幅循环应力
（简称等效应力）
－－等效应力的大小 －－等效循环次数
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数 组成一个综合影响系数：
零件的疲劳极限为：
用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。
（ 、 的值见教材或有关手册 ）
屈服强度线
§2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数，以 判断零件的安全程度。安全条件是：S ≥ 。
概 述
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。
二、循环应力的类型
脆性断裂区
疲劳区
疲劳源
疲劳纹
循环应力可用smax 、 smin 、 sm 、 sa 、 这五个参数中的任意两个参 数表示。
概 述
规律性变幅循环应力
按最大应力计算的安全系数为：
≥
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
注：1）应力增长规律为 时，按应力幅计算的安全系数 等与按最大应力计算的安全系数。
机械设计中的疲劳强度分析
机械设计中的疲劳强度分析在机械设计领域，疲劳强度是一个至关重要的考量因素。
当机械零部件在循环载荷作用下工作时，即使所承受的应力远低于材料的屈服强度，经过一定的循环次数后，也可能会发生突然的断裂，这种现象被称为疲劳失效。
疲劳失效是机械零件和结构失效的主要形式之一，它往往会带来严重的后果，如设备损坏、生产停滞甚至人员伤亡。
因此，在机械设计过程中，对疲劳强度进行准确的分析和评估具有极其重要的意义。
要理解疲劳强度，首先需要了解疲劳破坏的特点。
与静态载荷下的破坏不同，疲劳破坏具有以下几个显著特征。
其一，疲劳破坏是在循环载荷作用下逐渐发展的，其破坏过程通常经历了裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段。
在初始阶段，微观裂纹在材料表面或内部的缺陷处形成，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，直到达到临界尺寸时发生突然的断裂。
其二，疲劳破坏时，零件所承受的最大应力通常远低于材料的抗拉强度，甚至可能低于屈服强度。
这是因为疲劳破坏是由循环应力引起的累积损伤导致的，而不是一次性的过载。
其三，疲劳破坏对零件的表面状态和内部缺陷非常敏感。
零件表面的粗糙度、划痕、腐蚀等都会加速疲劳裂纹的萌生和扩展，而内部的夹杂物、气孔等缺陷也会降低材料的疲劳强度。
那么，如何对机械零件的疲劳强度进行分析呢？目前，常用的方法主要有两种：试验法和分析法。
试验法是通过对实际零件或试样进行疲劳试验来确定其疲劳强度。
这种方法直观可靠，但成本较高，且试验周期长。
在疲劳试验中，通常将试样或零件在特定的加载条件下进行循环加载，直到发生疲劳破坏。
通过记录加载次数和应力水平，可以得到零件的疲劳寿命曲线，即 SN 曲线。
SN 曲线反映了应力水平与疲劳寿命之间的关系，是评估零件疲劳强度的重要依据。
然而，由于试验条件的限制，试验法往往难以完全模拟零件在实际工作中的复杂载荷和环境条件。
分析法则是基于材料的力学性能和零件的几何形状、载荷条件等，通过理论计算或数值模拟来预测零件的疲劳强度。
机械疲劳强度的计算公式
机械疲劳强度的计算公式引言。
机械疲劳强度是指材料在受到交变载荷作用下所能承受的最大应力，是评价材料抗疲劳性能的重要指标之一。
在工程设计中，准确计算机械疲劳强度对于保证产品的可靠性和安全性至关重要。
本文将介绍机械疲劳强度的计算公式及其相关知识。
机械疲劳强度的概念。
机械疲劳强度是指材料在受到交变载荷作用下所能承受的最大应力。
在实际工程中，材料往往会受到交变载荷的作用，例如机械零件在运转过程中会受到交变载荷的作用，这时就需要考虑材料的疲劳强度。
疲劳强度与材料的抗拉强度、屈服强度等力学性能密切相关，但又有所不同。
疲劳强度是在交变载荷作用下，材料发生疲劳破坏的最大应力，而抗拉强度、屈服强度是在静态载荷作用下，材料发生破坏的最大应力。
机械疲劳强度的计算公式。
机械疲劳强度的计算公式是根据材料的疲劳试验数据和疲劳寿命曲线来确定的。
根据疲劳试验数据，疲劳强度与静态强度之比的数值在0.3~0.9之间。
常用的机械疲劳强度计算公式有双曲线法、极限应力法、应力循环法等。
双曲线法是一种常用的机械疲劳强度计算方法，其计算公式如下：\[ S_e = S_u \cdot (1 k \cdot \log(N_f)) \]其中，\( S_e \)为机械疲劳强度，\( S_u \)为材料的抗拉强度，\( k \)为常数，\( N_f \)为疲劳寿命。
极限应力法是另一种常用的机械疲劳强度计算方法，其计算公式如下：\[ S_e = \frac{1}{2} \cdot S_u \cdot (1 + \frac{1}{n}) \]其中，\( n \)为材料的应力循环指数。
应力循环法是根据材料在交变载荷下的应力循环曲线来计算疲劳强度的方法。
其计算公式如下：\[ S_e = \frac{1}{2} \cdot S_u \cdot (1 + R \cdot K_f) \]其中，\( R \)为载荷比，\( K_f \)为应力比例系数。
以上三种方法都是根据材料的疲劳试验数据和疲劳寿命曲线来确定机械疲劳强度的计算公式，不同的方法适用于不同的材料和载荷情况。
机械设计-疲劳强度
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 §2-3影响 疲劳强度的 试件通过试验测出的。 因素 而实际中的各机械零件与标准试件，在形体，表面质量以及绝 对尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用 试件测出的必然有所不同。
影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个： 一、应力集中的影响
第二章 机械零件的疲劳强度设计
§2-1 概 述
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-3 影响零件疲劳强度的主要因素
§2-4 受稳定循环应力时零件的疲劳强度
§2-5 受规律性不稳定循环应力时零件的疲劳强度
§2-1
一、疲劳破坏
概
述
脆性断裂区
§2-1 概 述
机械零件在变应力作用下，应力的每次 作用对零件造成的损伤累积到一定程度时， 首先在零件的表面或内部将出现（萌生）裂
疲劳强度线
§2-4 受稳定循环应力时
a
A
1
K D 2 K D
A0, 1
B(
0 0
2 ,
D
2
)
注：由于DG段
属于静强度，而 静强度不受
B
屈服强度线
D
0
KD
的影响，故不需修正。
o
G s ,0
0
2
m
受稳定循环应力时零件的疲劳强度
疲劳强度线 AD 的方程为：
机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件 的疲劳强度下降。
响 。（ K
用疲劳缺口系数 K σ 、 K τ （也称应力集中系数）计入应力集中的影
σ
、 K τ 的值见教材或有关手册）
影响零件疲劳强度的主要因素
影响疲劳强 注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的疲劳缺 度的主要因 口系数进行计算。 素2 二、尺寸的影响 零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲 劳源的可能性（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。 用尺寸系数 εσ 、ε τ ，计入尺寸的影响。 （ εσ 、ε τ 见教材或有关手册 ） 三、表面质量的影响 表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑， 疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可 显著提高零件的疲劳强度。
章机械设计疲劳强度
A’ D’ G’
潘存云教授研制
45˚
45˚
O
σ0 /2
σm
C
σS
m 中的参数σ为试件受循环弯曲应 公式 1 a 力时的材料常数，其值由试验及下式决定： 2 1 0 0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
q σ (qτ )
350
有效应力集中系数kσ
0.5
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 几何不连续处的圆角半径 r/mm
3.5
4.0
新疆大学专用
作者： 潘存云教授
ε σ 附图 3-2
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
h h h D/mm 0 20
βσ 1.0
0.8
钢材的尺寸与截面形状
7~20 30~40 7~20 30~40 1.3~1.6 1.2~1.5 1.6~2.8 1.5~5
化学热处理方法
氮化，膜厚 0.1~0.4mm 硬度>HRC64 渗炭，膜厚 0.2~0.6mm
新疆大学专用
表3-10 化学热处理的强化系数βq
试件种类 试件直径/mm
5~15 30~40 5~15 30~40 8~15 30~40 8~15
σa
σ
r =+1 r =-1 σmax σa 潘存云教授研制 σa σmin 对称循环变应力
σ
t o
σmin
σm
σ
t
作者： 潘存云教授
脉动循环变应力
疲劳断裂----变应力。 疲劳断裂过程： ▲零件表层产生微小裂纹； ▲随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展； ▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。
第2章机械零件的疲劳强度计算机械设计课件
作σ
自用盘编号JJ321002
r∞
，通常用N0次数下的σ r取代，σ r值由实验得到。
σ
rN
轻合金材料的循环基数通常取为： N0≈2.5×108 σ
r
0
N0
N
图2—5 轻合金材料的σ—N曲线 N0称为循环基数，对应的疲劳极限σ r称为该材料的疲
劳极限。 对于钢材：当HB≤350时：N0≈106~107；
α
σ
、α
τ
——理论应力集中系数，查教材P39 ~ P41附表
自用盘编号JJ321002
3—1 ~ 附表3—3或查手册和其它资料。 若一个剖面上有几个不同的应力集中源，则零件的疲劳 强度由各kσ （kτ ）中的最大值决定。
3、尺寸效应的影响 材料的疲劳强度极限是对一定尺寸的光滑试件进行实验 得出的，考虑到零件尺寸和试件的尺寸不同，其疲劳强度 也不一样，故引入一个尺寸系数ε： 1d 1d 直径d的 ; 1 1 标准试件的 εσ 、ετ的值可查教材P42 ~ P43附图3—2、3—3，附 表3—7或查手册及有关资料。 4、表面质量的影响 零件表面的加工质量，对疲劳强度也有影响，加工表面 的粗糙度值越小，应力集中越小，疲劳强度越高。因此引 入一个表面质量系数β 来考虑零件表面的加工质量不同对 疲劳强度的影响。 β可查教材P44附图3—4
max
自用盘编号JJ321002
min r max
称r为应力循环特性，表示了变应力 的变化性质。
σa σ r=-1
r=-1 t
σ
r=0 t t r=+1 t + σm
t 左边区域： σ 压应力为主， Ⅱ区： 零件在压缩 - 1 ＜ r ＜0 变应力时破 σ 坏的情况较 Ⅰ区： 少，故不予 0 ＜r ＜+ 1 以分析。 45° - σm σ 0 0
机械设计之机械零件的疲劳强度
机械设计之机械零件的疲劳强度引言在机械设计中，疲劳强度是评估机械零件是否能够在长时间使用过程中承受载荷和弯曲等作用力的重要指标之一。
疲劳强度不仅关乎机械零件的寿命和可靠性，还直接影响到机械装置的安全性能。
本文将介绍机械零件的疲劳强度分析方法，包括疲劳寿命预测、疲劳极限分析、疲劳强度评估等内容。
疲劳寿命预测疲劳寿命是机械零件在特定载荷下能够承受的循环次数。
疲劳寿命预测的目的是为了确定机械零件在特定工作条件下的可靠性。
常用的疲劳寿命预测方法有下面几种：1. 基于SN曲线的方法SN曲线（Stress Number Curve）揭示了应力与循环次数之间的关系。
通过测试材料在不同应力水平下的循环寿命，并绘制SN曲线图，可以预测不同应力水平下的寿命。
这种方法适用于不同材料在常温下的疲劳寿命预测。
2. 基于应力途径的方法应力途径是指机械零件在循环载荷下的相对应力历程和持续时间。
通过测量机械零件在不同应力途径下的寿命，并绘制应力途径图，可以预测不同应力途径下的寿命。
这种方法适用于复杂加载情况下的疲劳寿命预测。
3. 基于损伤积分的方法损伤积分是指在单位时间内损伤累积的指标。
通过测量机械零件在不同加载条件下的损伤积分，并与材料的损伤裕度相比较，可以预测机械零件的寿命。
这种方法适用于快速变化的加载情况下的疲劳寿命预测。
疲劳极限分析疲劳极限是指机械零件在循环载荷下的最大承载能力。
疲劳极限分析的目的是为了确定机械零件能够承受的最大载荷和疲劳寿命。
常用的疲劳极限分析方法有如下几种：1. 基于拉伸试验的方法拉伸试验是测量材料在拉伸载荷下的应变和应力变化的试验。
通过拉伸试验和应力-应变曲线，可以确定材料的疲劳极限。
这种方法适用于静态或低周疲劳加载条件下的疲劳极限分析。
冲击试验是测量材料在动态或高速加载条件下的力学性能的试验。
通过冲击试验和载荷-位移曲线，可以确定材料的疲劳极限。
这种方法适用于动态或高速加载条件下的疲劳极限分析。
机械设计基础学习如何进行强度和刚度分析
机械设计基础学习如何进行强度和刚度分析机械设计是一门综合性较强的学科，其中的强度和刚度分析是机械设计中非常重要的部分。
在机械设计中，强度和刚度分析可以帮助工程师评估零件或设备在工作条件下的承载能力和变形情况。
本文将介绍机械设计中的强度和刚度分析的基本知识和方法。
1. 强度分析强度是指材料在外力作用下不发生破坏的能力。
在机械设计中，强度分析主要涉及两个方面：静态强度和疲劳强度。
1.1 静态强度分析静态强度分析是指对机械零件或装置在外力作用下的承载能力进行评估。
这种分析通常使用应力-应变关系来计算零件或装置的变形和破坏情况。
常用的应力-应变关系包括胡克定律和屈服准则等。
通过对零件或装置进行静态强度分析，可以确定其是否满足设计要求，并进行必要的优化。
1.2 疲劳强度分析疲劳强度分析是指对机械零件或装置在循环加载下可能发生疲劳破坏的情况进行评估。
在机械设计中，疲劳破坏是一个非常重要的问题，因为循环加载可能导致零件或装置出现裂纹并最终破坏。
通过疲劳强度分析，可以确定零件或装置的疲劳寿命，并采取相应的措施来延长其使用寿命。
2. 刚度分析刚度是指材料或结构在外力作用下发生变形的能力。
在机械设计中，刚度分析主要涉及两个方面：静态刚度和动态刚度。
2.1 静态刚度分析静态刚度分析是指对机械零件或装置在外力作用下的变形情况进行评估。
这种分析通常使用位移-力或位移-应力关系来计算零件或装置的变形情况。
通过静态刚度分析，可以确定零件或装置在工作条件下的变形量，从而确保其满足设计要求。
2.2 动态刚度分析动态刚度分析是指对机械零件或装置在振动或冲击载荷下的变形情况进行评估。
振动或冲击载荷可能导致零件或装置产生共振或过大的变形，从而影响机械系统的正常工作。
通过动态刚度分析，可以确定零件或装置的共振频率和响应情况，并进行必要的优化以消除共振或减小变形。
3. 强度和刚度分析的方法在机械设计中，强度和刚度分析可以使用各种方法进行，包括解析法、经验法和数值模拟法等。
机械零件的疲劳强度计算
机械零件的疲劳强度计算1.疲劳强度计算基础疲劳强度计算的基础是疲劳试验数据。
通过疲劳试验，可以得到不同应力水平下的应力与循环寿命的关系，即疲劳试验曲线。
然后通过统计方法，计算出零件在极限寿命设计条件下的疲劳强度。
2.标准疲劳曲线标准疲劳曲线是指确定零件疲劳强度的一种方法。
根据标准疲劳曲线，可以通过查表或计算，得到具体应力水平下的寿命和强度。
3.应力集中系数机械零件在实际工作中常常存在应力集中现象。
应力集中系数是考虑应力集中对零件疲劳强度影响的一个修正系数。
根据零件形状和载荷条件，可以确定相应的应力集中系数，从而修正零件的疲劳强度。
4.疲劳裕度系数疲劳裕度系数是指零件的实际应力与允许应力之比。
疲劳裕度系数是确定零件设计是否合理的一个重要参数。
如果疲劳裕度系数小于1，说明零件存在疲劳强度不足的风险；如果疲劳裕度系数大于1，说明零件在设计寿命内连续运行是安全的。
5.SN曲线法SN曲线法是一种常用的疲劳强度计算方法，通过试验或经验得到不同应力水平下的应力与寿命关系，即SN曲线。
通过与实际应力相比较，可以得到零件的寿命。
6.工程应力法工程应力法是一种简化的疲劳强度计算方法。
该方法根据零件在实际工况中的应力分布情况，选择合适的应力部位，计算得到平均应力，然后根据SN曲线法得到寿命。
7.有限元分析方法有限元分析方法是一种基于数值模拟的疲劳强度计算方法。
通过建立零件的有限元模型，并给定边界条件和载荷条件，可以计算出零件的应力分布情况。
然后通过与SN曲线法相结合，得到零件的疲劳寿命。
总之，机械零件的疲劳强度计算是一个复杂的工作，需要深入研究零件的应力分布、载荷条件、材料性能以及疲劳试验数据等方面，综合运用不同的计算方法和理论，以保证零件在实际工作条件下的安全性和可靠性。
机械零件的疲劳强度设计
数值模拟
使用计算机模型模拟零件受 循环载荷后的疲劳行为。
统计分析
通过分析样本数据，推导疲 劳寿命的概率分布。
疲劳试验与数据分析
1
试验设计
制定疲劳试验方案，包括加载方式、载荷幅值和试验样本数。
2
试验执行
进行疲劳试验，记录试验数据，如载荷响应和失效时间。
3
数据分析
对试验数据进行统计分析，得出寿命曲线和可靠性评估。
疲劳强度设计是确保机械零件可靠性和安 全性的关键步骤。
疲劳强度设计的工度钢。
几何设计
优化零件几何形状，减少应力集中和裂纹生成的可能性。
加工和热处理
精确控制加工过程和热处理参数，提高零件的疲劳强度和寿命。
案例分析及总结
案例1 案例2 总结
通过疲劳强度设计，延长了某机械组件的 使用寿命。
疲劳断裂导致一架飞机的事故，强调了疲 劳强度设计的重要性。
机械零件的疲劳强度设计
欢迎来到本次精彩的演讲！我们将探讨机械零件的疲劳强度设计，包括定义、 重要性、原因及机理、寿命评估方法、试验与数据分析、工程实践和案例分 析。
机械零件疲劳强度的定义
1 什么是疲劳强度？
疲劳强度是指机械零件在循环加载下能够承受的最大应力水平。
2 为什么疲劳强度重要？
了解疲劳强度有助于预测零件的寿命和避免意外损坏。
3 如何计算疲劳强度？
疲劳强度可以通过诸如疲劳极限、材料强度、载荷频率等参数的计算得出。
疲劳断裂的原因及机理
原因
• 不适当的设计 • 材料缺陷 • 过载或振动
机理
• 疲劳裂纹的生成和扩展 • 应力集中导致断裂 • 裂纹逐渐扩展导致零件失效
疲劳寿命评估方法
试验法
通过对零件进行疲劳试验来 评估其寿命。
机械设计疲劳强度
机械设计疲劳强度2023-11-11目录CATALOGUE•疲劳强度概述•疲劳载荷分析•材料疲劳性能•疲劳强度设计•疲劳试验与数据处理•疲劳强度研究展望01CATALOGUE疲劳强度概述疲劳定义疲劳是指机械结构在长时间承受载荷的作用下，经过一定循环次数后出现的破坏现象。
疲劳分类根据破坏循环次数，疲劳可以分为高周疲劳和低周疲劳；根据载荷类型，疲劳可以分为弯曲疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、扭转疲劳等。
疲劳定义及分类疲劳强度的影响因素材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能对疲劳强度有重要影响。
材料性质结构因素载荷条件环境因素结构形式、尺寸大小、表面质量、圆角半径等结构因素对疲劳强度有不同程度的影响。
载荷类型、大小、作用位置以及循环次数等载荷条件对疲劳强度具有决定性影响。
温度、湿度、腐蚀介质等环境因素对疲劳强度也有重要影响。
在应力循环过程中，微观缺陷如位错、空位、晶界等逐渐聚集形成微裂纹。
疲劳裂纹萌生疲劳裂纹扩展最终断裂微裂纹在应力循环作用下不断扩展，导致有效承载面积减小，应力集中效应增加。
当裂纹扩展到一定长度时，承载能力突然下降，导致结构发生突然断裂。
03疲劳破坏机理020102CATALOGUE疲劳载荷分析循环载荷在机械部件的设计和运行过程中，各种外部因素会导致载荷在不断变化，这种循环变化的载荷会引发应力的循环。
应力循环由于载荷的循环变化，导致部件中的应力也在不断变化，这种应力的循环变化会进一步影响部件的疲劳强度。
循环载荷与应力循环疲劳载荷的统计特性分布性不同的疲劳载荷数据通常具有不同的分布特性，如正态分布、对数正态分布等。
相关性某些疲劳载荷之间可能存在相关性，例如某些外部干扰可能导致相似的疲劳载荷。
随机性疲劳载荷具有随机性，因为其大小和频率受到许多因素的影响，如外部干扰、部件的材料特性、表面处理等。
在设计和分析过程中，常常需要对复杂的疲劳载荷进行简化，以便于理解和处理。
简化为了模拟真实的疲劳情况，常常需要将复杂的疲劳载荷等效为更简单的形式，如平均应力或最大应力。
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度1. 引言疲劳是机械零件在长期循环载荷下发生破坏的一种现象。
在工程实践中，对机械零件的疲劳强度进行准确评估和预测是至关重要的。
本文将介绍机械零件的疲劳强度及其评估方法。
2. 疲劳强度的定义疲劳强度是指材料在循环载荷作用下承受的最大应力达到相应标准下的寿命。
在机械零件的设计和使用中，疲劳强度决定了零件的可靠性和寿命。
3. 影响疲劳强度的因素疲劳强度受多种因素影响，包括材料的性能、应力水平、循环载荷的频次、温度等。
以下是影响疲劳强度的主要因素：3.1 材料的性能材料的强度、韧性、硬度、断裂韧性等性能对疲劳强度有重要影响。
一般情况下，强度越高、韧性越佳的材料具有更高的疲劳强度。
3.2 应力水平应力水平是指机械零件在工作状态下承受的最大应力值。
应力水平越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.3 循环载荷的频次循环载荷的频次是指机械零件在工作过程中受到应力循环的次数。
频次越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.4 温度温度对材料的性能有直接影响，高温会导致材料的强度降低，从而影响疲劳强度。
4. 评估疲劳强度的方法为了准确评估机械零件的疲劳强度，工程师可以采用以下几种方法：4.1 经验公式法经验公式法是基于实验数据和经验公式来评估疲劳强度的一种方法。
通过统计分析和归纳，可以得到适用于不同材料和零件的经验公式，并进行计算和预测。
4.2 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机建立机械零件的有限元模型，并通过有限元分析软件对零件进行疲劳强度分析。
该方法可以较精确地评估零件的疲劳强度，但需要依赖于准确的材料性能和载荷条件。
4.3 实验方法实验方法是通过设计和进行疲劳试验来评估机械零件的疲劳强度。
通过在实验中施加不同的载荷条件和监测零件的变形和破坏情况，可以获得零件的疲劳强度。
5. 结论机械零件的疲劳强度是一个复杂的问题，在机械设计和使用中具有重要的意义。
疲劳强度的评估可以通过经验公式法、数值模拟方法和实验方法来进行。
机械设计之机械零件的疲劳强度PPT(31张)
3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素
1、应力集中的影响 k ，k
2、尺寸的影响 ， 3、表面状态的影响 ，
， 4、综合影响系数
k
D
k
k
D
k
应力集中、尺寸和表面状态都只对 a 有影响，而对 m影响不大
tga 1rconst m 1r
r=1 tg 0 00
r=0 tg 1 450
r=-1 tg 900
零件的工作应力C（ m ， a ）， m + a = max ，C点距O愈远,
max 愈大，但 ≤ max r 零件才不
会破坏。
3.1 疲劳断裂的特征
在交变应力作用下零件
主要失效形式之一为疲劳断
轴
裂。
发生过程：ຫໍສະໝຸດ 交变 应力表面小 裂纹应力 集中
裂纹 扩展
宏观疲 劳纹
初始裂纹
疲劳区 (光滑) 粗糙区
局部 b
断裂
反复 作用
表3.1
3.2 疲劳曲线和疲劳极限应力图
3.2.1 疲劳极限
在一定的循环特性r下，变应力循环N次后，不发
N N0
KN
m N0 N
1
N N0 K N =1 rN r
注意点：
1） rN ， rH 与 rN 相似
2） N 0 为循环基数，与材料有关
3） r不同，同一材料疲劳曲线不同
2. 无限寿命区 N N0
疲劳曲线为一水平线，疲劳极限不随N的增加而降低。
3.2.3 极限应力图 m a（表示材料在不同的循环特性
（b）工作点位于塑性安全区：
3 第三章 机械零件的疲劳强度《机械设计》
C点的极限应力为
计算安全系数及疲劳强度条件为：
σ′ k N σ -1 max Sσ = = ≥ [S] σ max (Kσ ) Dσa + ψσ σ m
N点的极限应力点N’位于直线 E’S上， 有： σ'm a x = σ′ α + σ′ m = σs
这说明工作应力为N点时，首 先可能发生的是屈服失效。故 只需要进行静强度计算即可。 σS σS = ≥ [S] 强度计算公式为： Sσ = σ max σ a + σ m
三、规律性非稳定变应力时的疲劳强度计算 按损伤累积假说进行疲劳强度计算 不稳定 规律性 如汽车钢板弹簧的载荷与应力受载重量、行车速度、轮胎充气成都、路面状况、驾驶员水平等因素有关。 变应力 非规律性 用统计方法进行疲劳强度计算
σmax σ1 σmax σ2 σ3 σ4 n2 n3 σ1 σ2
σ-1∞ O n 1
2）当应力作用顺序是先小 后大时，等号右边值 >1； z ni 0 .7 ~ 2 .2 一般情况有： i 1 N i 极限情况：
ni 1 i 1 N i
z
1 m m m i 1 ( n n ... n ) 1 1 1 2 2 z z m m N 0 1 N 0 1
§机械零件的工艺性及标准化
1 何为工艺性？
所设计的零件便于加工且加工费用低
25
2、标准化
对产品的品种、规格、质量、检验等制订标准并加以实施。 1）产品品种规格的系列化： 2）零部件的通用化： 3）产品质量标准化： 标准化的意义：
在制造上可实行专业化大量生产，既可提高产品质量，又 可降低成本；
在设计方面可减小设计工作量； 在管理维修方面，可减小库存和便于更换损坏的零件。
提高机械零件疲劳强度的措施
提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施机械零件的疲劳强度是指在循环载荷下，零件能够承受的最大应力水平。
在机械设计中，提高零件的疲劳强度是非常重要的，因为疲劳失效是机械零件失效的主要原因之一。
下面是提高机械零件疲劳强度的措施。
1. 优化设计在机械设计中，优化设计是提高零件疲劳强度的关键。
通过合理的设计，可以减少零件的应力集中和应力变化，从而提高零件的疲劳强度。
例如，在设计轴承支座时，可以采用圆角设计来减少应力集中，或者采用弯曲设计来减少应力变化。
2. 选择合适的材料材料的选择对机械零件的疲劳强度有很大的影响。
一般来说，高强度、高韧性、高耐疲劳性的材料可以提高零件的疲劳强度。
例如，对于高强度螺栓，可以选择高强度钢材料，如40Cr、45#等。
3. 加强表面处理表面处理是提高机械零件疲劳强度的重要措施之一。
通过表面处理，可以增加零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而提高零件的疲劳强度。
例如，在制造高强度螺栓时，可以采用热处理、表面喷涂等方式来加强表面处理。
4. 控制制造工艺制造工艺对机械零件的疲劳强度也有很大的影响。
在制造过程中，应严格控制加工精度、表面质量、热处理工艺等因素，以确保零件的质量和疲劳强度。
例如，在制造高强度螺栓时，应严格控制螺纹加工精度、热处理工艺等因素。
5. 加强维护保养维护保养是保证机械零件长期稳定运行的重要措施之一。
定期检查和维护机械零件，及时发现和处理零件的疲劳损伤和缺陷，可以有效地延长零件的使用寿命和提高疲劳强度。
综上所述，提高机械零件疲劳强度的措施包括优化设计、选择合适的材料、加强表面处理、控制制造工艺和加强维护保养。
通过这些措施，可以有效地提高机械零件的疲劳强度，延长零件的使用寿命，提高机械设备的可靠性和安全性。
- 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)。
a
a
O t
O t
一定学会判断应力类型
一、疲劳破坏
§2-1 概 述
疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。
1、疲劳破坏 (Fatigue failure)
疲劳破坏： 变应力、多次作用下，材料发生破坏
§2-1 概 述
疲劳破坏 过 程：
①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断
曲轴断裂 实例 内源断裂
疲劳破坏 特 征：
曲轴疲劳断裂断口特征 裂纹源区
概述
概述2
返回
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
一、疲劳曲线（ rN- N 曲线）
N
( N
)
——疲劳极限，循环特征为r的循环变应力下应力循环
N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力 材料的疲劳极限。
称ma为x ( max )
疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N
σ
σmin =0 ；σm =σa
r= σmin /σmax =0
t
σ
σm =0 ；
t σmax =σa= -σmin r= σmin /σmax= -1
恒幅循环应力 循环应力分为：
变幅循环应力
概述
概述3
对称循环应力 脉动循环应力 非对称循环应力
规律性变幅循环应力
随机循环应力
规律性变幅循环应力
随机循环应力
1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之
间关系的曲线
No —循环基数
—持久极限
N
有限寿命区
无限寿命区
A
N
B
O
103N
N0
N
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
材料的疲劳曲线σrN –N（Curve of fatigue ）
σrN A 有限寿命区
§2-1 概 述
σ (1)非对称循环变应力
σa
(-1≤ r ≤+1)
最大应力： σmax 最小应力： σmin (2) 脉动循环变应力
(3)对称循环变应力
σmax σmin
σm
t
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2
应 力 幅：σa=(σmax-σmin)/2
应力循环特性：r= σmin /σmax
有限寿命区
当 103 (104 ) 时N 随 循N0环次数↑疲
A
劳极限↓
无限寿命区
N
2）无限寿命区
B
N N0
N ——持久极限
O
103N
N0
N
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3）疲劳曲线方程 (103 (104 ) N N0 )
N
N
≥
N，0 则取 N＝ 。 N 0
2）工程中常用的是对称循环应力（ =-1）下的疲劳极限，计
算时，只须把
和
换成N 和
1即可。 1N
3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的 换成 即可。
4）当N ＜（103 ～ 10）4 时，因 N 较小，可按静强度计算。
5）无限寿命设计： N ≥ N0 时的设计。取 ＝lim 。
区 ② m—指数与应力与材料的种类有关。
钢 m=9——拉、弯应力、剪应力 m=6——接触应力
青铜 m=9——弯曲应力
m=8——接触应力
材料疲劳曲线和极限应力图
疲劳曲线2
③ 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零 件强度越有利。 对称循环（应力循环特性=-1）最不利
注：1）计算
N
C
σrN2 σrN0
o 103 N1 N2
B
r N0
C
N
m、C—系数
N0—循环基数
1）有限寿命区
当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按
静强度计算
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
当N>103(104)——高周循环疲劳 N
2
, m
max min
2
静应力
r 1
a 0, m min max
当零件受变切应力作用时，只需将公式中的 改成
why
零件的破坏形式及材料的极限应力与零件所受的变 应力类型有关，所以弄清零件所受的变应力的规律。
§2-1 概 述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生， 也可能由静载荷产生
第二章 机械零件的疲劳强度设计
§2-1 概 述 §2-2 材料疲劳曲线和极限应力图 §2-3 影响（part）零件疲劳强度的主要因素 §2-4 受稳定循环应力时零件的疲劳强度 §2-5 受规律性不稳定循环应力时零件的疲劳强度
§2-1 概 述
一、交变应力的描述(Parameters of variable stress) 材料疲劳的两种类别
§2-1 概 述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
表2-1 几种典型变应力的循环特征和应力特点
循环应力类型
循环特征
应力特点
对称循环应力 脉动循环应力
r 1
r0
m 0, a max min
min 0,a m max / 2
非对称循环应力
1 r 1(r 0)
a
max
min
①小应力: ②持续性:
③敏感性:
变应力最大值低于材料静强度限 变应力多次作用 对材料、几何形状敏感
④突发性: 突然断裂
疲劳断口特征：疲劳区和脆性断裂区。 脆性断裂区
概述
概述2
疲劳区
疲劳纹
疲劳源
疲劳破坏的机理：疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要 时间，寿命可计算。 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。
m N
N
m
N0
C
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
∴疲劳极限
N
m
N0 N
KN
KN
m
N0 N
——寿命系数
几点说明：
① No 硬度≤350HBS钢， No=107
≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
How
对任何材料（标准试
a
件），对不同的应力循环特 a
性下有不同的持久极限，即
该材料的最大应力
，
再由应max力、循环极特、限性min可求出 max m a
o
A0, 1
45
B( 0 , 0 )
22
6）有限寿命设计： N ＜ N0 时的设计。取
＝ 。
lim
rN
材料疲劳曲线和极限应力图
极限应力图3
事1
N
材料疲劳曲线和极限应力图
极限应力图
二、材料 m a 极限应力图
定义：在疲劳寿命N 一定时，表示疲劳极限 N与应力比 之 间关系的
线图。
下图为疲劳寿命为 N（0 无限寿命）时的极限应力图 m a