机械设计疲劳强度经典课件

因此，疲劳破坏极易造成严重事故。据统计，机械零件尤其是高速运转零部件的破坏，大 部分属于疲劳破坏。
材料的疲劳强度测试（r=-1） 在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限技术上较简单. 将材料加工成最小直径为 7～10mm,表面磨光的试件,每组试验包括 10根左右的试件.
P
P
P a
P a
Pa
材料疲劳曲线（图3-1Hale Waihona Puke Baidu max
例p362：45（调制）的弯曲疲劳强度-1 =275MPa表示？ 屈服强度S =355MPa
影响零件疲劳极限的因素
首先区分一组概念：构件，零件，试件。 试件：较小且光滑（光滑小试件）
一、零件外形的影响
若构件上有螺纹,键槽,键肩等,其持久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低。其影响程度用 有效应力集中系数表示
疲劳曲线
rm N NrmN0C
有限寿命区间内循环次数N时的疲劳极限rN为：
rNrm
N0 N
KNr
式中： KN为寿命系数； m 为材料常数；
σr 查表。
寿命系数的物理含义：表现了应力循环次数对疲劳寿命的影响，是有限寿命疲劳强度相对于 无限寿命疲劳强度的增大程度，通常大于1。
由－N 曲线可以看出：表示材料的疲劳强度与其静强度有所不同。表示静强度只用强度极限 即可；而对材料的疲劳强度而言，需指明在指定的r值下，还要同时说明max及对应的破坏循环次 数N。即，只有同时用三个物理量（r,N,max）才能描述材料的疲劳强度。
粗糙区
光滑区 裂纹源 晶粒滑移>>微观裂纹>>扩展>>有效面积下降>>突然断裂
疲劳破坏的特点
（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度极限值，有时甚至远低于材料 的屈服极限；
（2）无论是脆性还是塑性材料，交变应力作用下均表现为脆性断裂，断裂前没有明显征兆， 无明显塑性变形；
（3）裂纹的扩展时断时续，断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分。
r min 0 max
a mm 2ax
特例3、静应力
O t
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
r1 a 0 mmax
交变应力的三个特例
r=-1 对称循环应力
r=0 脉动循环应力
r=1 静应力
疲劳破坏机理 金属在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。
机械设计疲劳强度经典课 件
交变应力举例 定义：随时间作周期性变化的应力,称为交变应力。 实例1 齿轮在啮合过程中，力F迅速由零增加至最大值，然后减小至零。试观察齿根某一点A的 弯曲正应力变化情况。
P A σ
t
实例2 由于电动机的重力作用产生静弯曲变形,由于工作时离心惯性力的垂直分量随时间作周期性 变化,梁产生交变应力.
1、变载荷，载荷做周期性变化； 2、静载荷，但零件点的位置随时间做周期性的变化。
交变应力的基本参数
m─平均应力 a─应力幅值
max─最大应力 min─最小应力
r ─应力比（循环特性）
r min max
m
m
axm
2
in
max=？
min=？
a
m axm in
2
描述规律性的交变应力有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。
机械零件的疲劳大多发生在CD段，可用下 式描述：
疲劳曲线
rm N N C (N C N N D )
无限寿命疲劳极限： D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，其方程为：
rN r N （ N D )
由于ND很大，作疲劳试验时，常规定一个 循环次数N0(称为循环基数)，用σr No来近似代替 σr∞，于是有：
试件（材料）的疲劳极限
k 同尺寸而有应力集中的零件的疲劳极限
1
弯曲时的有效应力集中系数
k
3.40 3.20
3.00
2.80 2.60 2.40 2.20 700
b10M 00PaM
900 800
r
M
d
D
1.2 D 2 d
2.00
600
1.80
1.60 b50M 0 Pa
1.40
1.20
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
max，1 max，2
1 2
r=0？ r=-1
-1
N1
N2
N
当－N 曲线趋于水平时，相应的最大应力值 max 称为材料的疲劳极限或持久极限，用 r 表示，如 -1 。
零件在交变应力下所能承受的极限应力一般用应力最大值来表示，但有时也用应力 幅值表示。
材料疲劳曲线
材料的疲劳特性
有限寿命疲劳极限：
尺寸对持久极限的影响程度， 用尺寸系数表示
大直径光滑零件的疲劳极限
光滑小试件的疲劳极限
1
右边表格给出
尺寸系数表
了在弯、扭的 对称应力循环
直径 d(mm)
时的尺寸系数.
碳钢
合金钢
>20 ～ 30
0.91
0.83
>30 ～ 40
0.88
0.77
>40 ～ 50
0.84
0.73
>50 ～ 60
0.81
三个特例
特例1、对称循环
O
max
min
t
在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号。
min= - max或 min= - max
r min 1 max
a max m 0
特例2、脉动循环
max
O
min=0
t
r1 时的交变应力,称为非对称循环交变应力.
若 非对称循环交变应力中的最小应力等于零（ min）
0.70
>60 ～ 70
0.78
0.68
>70 ～ 80
0.75
0.66
>80 ～ 100
0.73
0.64
>100 ～ 120
0.70
0.62
>120 ～ 150
0.68
0.60
>150 ～5 00
r
d
扭转时的有效应力集中系数
k
2.80
r
2.60
T
T
2.40
d
D
2.20
b10M 00Pa
1.2 D 2 d
2.00 900
1.80
800
1.60
b70M 0 Pa
1.40
1.20
1.00
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 r d
二、零件尺寸的影响 大试件的持久极限比小试件的持久极限要低
ωt
静平衡位置
t
stmax min
实例3 火车轮轴上的力来自车箱.大小,方向基本不变.即弯矩基本不变. P
假设轴以匀角速度 转动.
横截面上 A点到中性轴的距 离却是随时间 t 变化的.
A
yrsi nt
A的弯曲正应力为
MyMrsi nt
II
O 随时间 t 按正弦曲线变化
P
t z
t
•交变应力产生的原因