6机械强度设计XXXX_1
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当损伤按线性累加达到1时，疲劳破坏就发生了。
31
5.2.4 疲劳寿命设计
Miner线性累积损伤理论基础
疲劳极限：σr 条件疲劳极限： σrN 以σi循环ni次造成的损伤：ni/ Ni； 各个不同σr下造成的总损伤：Σ ni/ Ni
注意：事实上，前面的加 载应力大小对后面的损伤 累积有影响。
32
理论应力集中系数ασ、ατ：在弹性变化范围内材料 的局部应力峰值σ max与名义应力σ之比
有效应力集中系数K σ 、K τ ：实际衡量应力集中 对疲劳强度影响的系数
28
5.2.3 影响疲劳强度的因素
2. 尺寸影响
尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象 尺寸系数εσ、ετ：一般零部件或试样的疲劳极限与几何相似
1. 疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论
当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量 的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到某一临界值时将产生破 坏。
Miner线性累积损伤理论
相同应变幅值和平均应力的 ni个应变和应力循环将按线性累加，造 成 ni/Ni的损伤，即消耗掉 ni/Ni部分疲劳寿命；
的标准试样的疲劳极限之比
1d 1
29
5.2.3 影响疲劳强度的因素
3. 表面加工方法的影响
不同表面加工的影响：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：某种加工表面的标准光滑试样与磨光（国外 为抛光）的标准光滑试样疲劳极限之比
1
1 1
30
5.2.4 疲劳寿命设计
20
疲劳破环过程
裂纹扩展的第一阶段
裂纹成核阶段
微观裂纹扩展阶段
疲劳裂纹形 成阶段（寿
裂纹扩展的第二阶段 命Ni）
宏观裂纹扩展阶段 断裂阶段
疲劳裂纹扩 展阶段（寿
命Np）
21
疲劳的分类
按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳； 按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳； 按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳 按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳 按工作环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲劳、
强度极限为拉伸强度极限， K3=1.0；则在其 它失效形式下， K3值分别为：
塑性材料
抗拉强度 K3 屈服强度
脆性材料
抗拉强度 K3 所考虑的强度极限
疲劳破环
抗拉强度
K3 疲劳强度
9
安全系数影响因素K4、 K5、 K6、 K7
K4：应力集中系数 K4 =σmax/ σn
K5：截面尺寸增大系数
K5 =1/ε
K6：表面加工状况系数 K6 =1/β
K7：检验质量系数,抽检1.15-1.30, 逐个检验 1.05-1.15
10
5.1.3 安全系数计算
静应力下安全系数
塑性材料
s
ns
脆性材料
b
nb
n b K1K2K3K4K5K6K7
11
5.1.3 安全系数计算
变应力下安全系数
交变应力
n
1 e d
1
K
d
等幅当量应力 按Miner准则和
S-N曲线求得
m
d
N
N0
i
i max
m
ni N
max
16
弯扭同时作用下的安全系数
n
1
1 n
2
1 n
2
17
5.2 抗疲劳强度设计
5.2.1 疲劳破环及疲劳过程 5.2.2 金属材料的疲劳特性 5.2.3 影响疲劳强度的因素 5.2.4 疲劳寿命设计
18
5.2.1 疲劳破环及疲劳过程
定义：材料或零构件在循环载荷作用下产生
裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳破环。
与静强度破环的主要区别：
静强度破环
疲劳破环
静载破 坏断口
危险截面 变形过大
局部危险点 微裂纹扩展
疲劳破 坏断口
19
疲劳破环特点
五大特点：
低应力性； 突然性； 时间性； 敏感性； 断口的疲劳特性。
6 机械强度设计
2020/3/30
1
强度与失效
失效：产品不能完成预定功能 强度：抵抗失效的能力
承载 变形 振动 摩擦 腐蚀 ……
2
5 机械强度设计
5.1 常规机械强度设计 5.2 抗疲劳强度设计 5.3 损伤容限设计
3
5.1 常规机械强度设计
5.1.1 机械强度的安全性判据 5.1.2影响安全系数的因素 5.1.3 安全系数计算
等应力幅 变应力幅 复合应力
对称循环 非对称循环
正应力 剪应力
12
等应力幅的安全系数—对称循环
疲劳极限有效 值
n
1 e a
1
K
a
1
e
K
1
工作应力 幅
n n
ຫໍສະໝຸດ Baidu
强度判据
13
等应力幅的安全系数—不对称循环
n
K
1 a a m
不对称系数 由下式求得
a
2 1 0
1
14
15
变应力幅的安全系数
5.2.4 疲劳寿命设计
腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、…
22
5.2.2 金属材料的疲劳特性
S-N曲线
23
5.2.2 金属材料的疲劳特性
疲劳极限线图：将不同r下的疲劳极限画到一个图 上
0
史密斯疲劳极限线图
哈埃疲劳极限线图
24
5.2.2 金属材料的疲劳特性
循环应力—应变下的材料特性
材料的循环硬化和循环软化
25
5.2.2 金属材料的疲劳特性
循环应力—应变下的材料特性
循环应力—应变曲线
26
5.2.3 影响疲劳强度的因素
材料组织成分、结构的影响； 零部件形状、尺寸和表面状况的影响； 工作载荷特性的影响； 服役环境和条件的影响。
27
5.2.3 影响疲劳强度的因素
1. 应力集中的影响
应力集中：外形突然变化或材料不连续地方，常产 生很大的局部应力
4
5.1.1 机械强度的安全性判据
n n
应力 计算、实测
许用应力
由材料、结构及工况规定
lim
n
许用安全系数
根据工况等规定
工作安全系数 计算
n lim
5
5.1.2 影响安全系数的因素
1. 零部件重要程度的影响：K1 2. 载荷及应力计算的准确程度的影响：K2 3. 不同失效形式的影响：K3 4. 应力集中的影响：K4 5. 截面尺寸的影响：K5 6. 表面加工状态的影响：K6 7. 检验质量的影响：K7
6
零部件重要程度系数：K1
7
应力计算的准确度系数：K2
计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取K2=1.0； 计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，
取K2=1.0； 计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取
K2=1.05—1.65；
8
失效形式影响系数：K3
规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的
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5.2.4 疲劳寿命设计
Miner线性累积损伤理论基础
疲劳极限：σr 条件疲劳极限： σrN 以σi循环ni次造成的损伤：ni/ Ni； 各个不同σr下造成的总损伤：Σ ni/ Ni
注意：事实上，前面的加 载应力大小对后面的损伤 累积有影响。
32
理论应力集中系数ασ、ατ：在弹性变化范围内材料 的局部应力峰值σ max与名义应力σ之比
有效应力集中系数K σ 、K τ ：实际衡量应力集中 对疲劳强度影响的系数
28
5.2.3 影响疲劳强度的因素
2. 尺寸影响
尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象 尺寸系数εσ、ετ：一般零部件或试样的疲劳极限与几何相似
1. 疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论
当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量 的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到某一临界值时将产生破 坏。
Miner线性累积损伤理论
相同应变幅值和平均应力的 ni个应变和应力循环将按线性累加，造 成 ni/Ni的损伤，即消耗掉 ni/Ni部分疲劳寿命；
的标准试样的疲劳极限之比
1d 1
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5.2.3 影响疲劳强度的因素
3. 表面加工方法的影响
不同表面加工的影响：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：某种加工表面的标准光滑试样与磨光（国外 为抛光）的标准光滑试样疲劳极限之比
1
1 1
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5.2.4 疲劳寿命设计
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疲劳破环过程
裂纹扩展的第一阶段
裂纹成核阶段
微观裂纹扩展阶段
疲劳裂纹形 成阶段（寿
裂纹扩展的第二阶段 命Ni）
宏观裂纹扩展阶段 断裂阶段
疲劳裂纹扩 展阶段（寿
命Np）
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疲劳的分类
按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳； 按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳； 按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳 按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳 按工作环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲劳、
强度极限为拉伸强度极限， K3=1.0；则在其 它失效形式下， K3值分别为：
塑性材料
抗拉强度 K3 屈服强度
脆性材料
抗拉强度 K3 所考虑的强度极限
疲劳破环
抗拉强度
K3 疲劳强度
9
安全系数影响因素K4、 K5、 K6、 K7
K4：应力集中系数 K4 =σmax/ σn
K5：截面尺寸增大系数
K5 =1/ε
K6：表面加工状况系数 K6 =1/β
K7：检验质量系数,抽检1.15-1.30, 逐个检验 1.05-1.15
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5.1.3 安全系数计算
静应力下安全系数
塑性材料
s
ns
脆性材料
b
nb
n b K1K2K3K4K5K6K7
11
5.1.3 安全系数计算
变应力下安全系数
交变应力
n
1 e d
1
K
d
等幅当量应力 按Miner准则和
S-N曲线求得
m
d
N
N0
i
i max
m
ni N
max
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弯扭同时作用下的安全系数
n
1
1 n
2
1 n
2
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5.2 抗疲劳强度设计
5.2.1 疲劳破环及疲劳过程 5.2.2 金属材料的疲劳特性 5.2.3 影响疲劳强度的因素 5.2.4 疲劳寿命设计
18
5.2.1 疲劳破环及疲劳过程
定义：材料或零构件在循环载荷作用下产生
裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳破环。
与静强度破环的主要区别：
静强度破环
疲劳破环
静载破 坏断口
危险截面 变形过大
局部危险点 微裂纹扩展
疲劳破 坏断口
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疲劳破环特点
五大特点：
低应力性； 突然性； 时间性； 敏感性； 断口的疲劳特性。
6 机械强度设计
2020/3/30
1
强度与失效
失效：产品不能完成预定功能 强度：抵抗失效的能力
承载 变形 振动 摩擦 腐蚀 ……
2
5 机械强度设计
5.1 常规机械强度设计 5.2 抗疲劳强度设计 5.3 损伤容限设计
3
5.1 常规机械强度设计
5.1.1 机械强度的安全性判据 5.1.2影响安全系数的因素 5.1.3 安全系数计算
等应力幅 变应力幅 复合应力
对称循环 非对称循环
正应力 剪应力
12
等应力幅的安全系数—对称循环
疲劳极限有效 值
n
1 e a
1
K
a
1
e
K
1
工作应力 幅
n n
ຫໍສະໝຸດ Baidu
强度判据
13
等应力幅的安全系数—不对称循环
n
K
1 a a m
不对称系数 由下式求得
a
2 1 0
1
14
15
变应力幅的安全系数
5.2.4 疲劳寿命设计
腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、…
22
5.2.2 金属材料的疲劳特性
S-N曲线
23
5.2.2 金属材料的疲劳特性
疲劳极限线图：将不同r下的疲劳极限画到一个图 上
0
史密斯疲劳极限线图
哈埃疲劳极限线图
24
5.2.2 金属材料的疲劳特性
循环应力—应变下的材料特性
材料的循环硬化和循环软化
25
5.2.2 金属材料的疲劳特性
循环应力—应变下的材料特性
循环应力—应变曲线
26
5.2.3 影响疲劳强度的因素
材料组织成分、结构的影响； 零部件形状、尺寸和表面状况的影响； 工作载荷特性的影响； 服役环境和条件的影响。
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5.2.3 影响疲劳强度的因素
1. 应力集中的影响
应力集中：外形突然变化或材料不连续地方，常产 生很大的局部应力
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5.1.1 机械强度的安全性判据
n n
应力 计算、实测
许用应力
由材料、结构及工况规定
lim
n
许用安全系数
根据工况等规定
工作安全系数 计算
n lim
5
5.1.2 影响安全系数的因素
1. 零部件重要程度的影响：K1 2. 载荷及应力计算的准确程度的影响：K2 3. 不同失效形式的影响：K3 4. 应力集中的影响：K4 5. 截面尺寸的影响：K5 6. 表面加工状态的影响：K6 7. 检验质量的影响：K7
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零部件重要程度系数：K1
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应力计算的准确度系数：K2
计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取K2=1.0； 计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，
取K2=1.0； 计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取
K2=1.05—1.65；
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失效形式影响系数：K3
规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的