《机械零件的强度》PPT课件
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静应力： （1）塑性材料： 表2.2 （2）脆性材料、低塑性材料： [S]=2-4 [S]=2-3
变应力： （1）塑性材料： [S]＝1.5-4.5 （2）脆性材料： [S]=2-6
2.3 变应力下机械零件的整体强度
一、疲劳断裂特征 1、失效形式：变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
2、疲劳断裂过程： ▲零件表层产生微小裂纹；
由第四强度理论：
（最大变形能理论） ca 2 3 2 [ ] s /[s]
3、许用安全系数的选取 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响
S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。
原则：在保证安全可靠的前提下，尽可能小。
典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
二、应力的种类
静应力: σ =常数
变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
max min
2
应力幅:
变应力的循环特性:
-1 ----对称循环变应力
= r min
max
0 ----脉动循环变应力 +1 ----静应力 静应力是变应力的特例
a
max min
2
σ
σ =常数
-1< γ<+1 ----非对称循环变应力 o
t
T
σ
σa σa
σmax σmin σm
σ
r =+1
σ
r =-1
σmax
σa
σmax
σmin
σa
r =0 σa
σa σm
o
to
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
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2章 机械零件的强度
2.1 载荷和应力的分类 2.2 静应力下机械零件的整体强度 2.3 变应力下机械零件的整体强度 2.4 机械零件的表面接触疲劳强度
第2章 机械零件的强度
2.1 载荷和应力的分类
一、载荷的分类 静载荷 变载荷：1）循环变载荷（周期性） 2）随机变载荷（非周期性） 载荷： 1）名义载荷 2）计算载荷
② m—特性系数（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
三、材料的疲劳极限应力图
材料的疲劳极限应力图——同一种材料在不同的应力循
环特性下的疲劳极限图（ m a 图）
对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环 特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对 应着该材料的最大应力 max ，再由应力循环特性 可求出 min max 和 m 、 a 。
N
当N>103(104)——高周循环疲劳
当 103 (104 ) N N0 时随循
环次数↑疲劳极限↓
有限寿命区
无限寿命区
N
2）无限寿命区
N N0
rN r ——持久极限 O
N
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 )
m rN
N
m r
N0
C
∴疲劳极限
rN
m
N0 N
r
KN
r
几点说明：
KN
m
N0 N
——寿命系数
① No 硬度≤350HBS钢，No=107 ≥350HBS钢，No=25x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无 限寿命区
2.2 静应力下机械零件的整体强度
1、静应力下的失效形式：断裂和塑性变形。
2、静强度条件：
或
（单向应力）
塑性材料：σlim=σs，τlim=τs
脆性材料:σlim=σB，τlim=τB
复合应力时的塑性材料：
按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算
由第三强度理论 （最大剪应力理论）
ca 2 4 2 [ ] s /[s]
45°
O
s B
45°
C
S
m
如图脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的
点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限 r
AE r lim rm ra max r
ES lim rm ra s
a
A B E
max s
45°
表面光滑
▲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。
表面粗糙
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
3、疲劳断裂的特征 疲劳断裂具有以下特征：
表面光滑
▲ 疲劳断裂的最大应力远比 静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;
▲ 疲劳断口均表现为无明显 塑性变形的脆性突然断裂;
后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。
2、疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N。
3、疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲劳极限与应力
循环次数之间关系的曲线 rN N
No —循环基数
r —持久ຫໍສະໝຸດ Baidu限
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
以 m为横坐标、 a 为纵坐标，即可得材料在不同应
力循环特性下的极限 rm 和 ra 的关系图。
材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 1, 0 和 s 而作出。
a A
B E
A——对称疲劳极限点 B——脉动疲劳极限点 S —— 屈服极限点 C ——强度极限点
O
s B
45°
C
S
m
折线以内为疲 劳和塑性安全区， 折线以外为疲劳 和塑性失效区， 工作应力点离折 线越远，安全程 度愈高。
当循环应力参数（ σm，σa ）落在OAES以内时，表示不会发生疲 劳破坏。
当应力点落在OAES以外时，一定会发生疲劳破坏。
而正好落在AES折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。
表面粗糙
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
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。
二、 材料的疲劳曲线
1、疲劳极限 rN ( rN ) ：r一定的变应力下，应力循环N次
变应力： （1）塑性材料： [S]＝1.5-4.5 （2）脆性材料： [S]=2-6
2.3 变应力下机械零件的整体强度
一、疲劳断裂特征 1、失效形式：变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
2、疲劳断裂过程： ▲零件表层产生微小裂纹；
由第四强度理论：
（最大变形能理论） ca 2 3 2 [ ] s /[s]
3、许用安全系数的选取 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响
S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。
原则：在保证安全可靠的前提下，尽可能小。
典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
二、应力的种类
静应力: σ =常数
变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
max min
2
应力幅:
变应力的循环特性:
-1 ----对称循环变应力
= r min
max
0 ----脉动循环变应力 +1 ----静应力 静应力是变应力的特例
a
max min
2
σ
σ =常数
-1< γ<+1 ----非对称循环变应力 o
t
T
σ
σa σa
σmax σmin σm
σ
r =+1
σ
r =-1
σmax
σa
σmax
σmin
σa
r =0 σa
σa σm
o
to
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
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2章 机械零件的强度
2.1 载荷和应力的分类 2.2 静应力下机械零件的整体强度 2.3 变应力下机械零件的整体强度 2.4 机械零件的表面接触疲劳强度
第2章 机械零件的强度
2.1 载荷和应力的分类
一、载荷的分类 静载荷 变载荷：1）循环变载荷（周期性） 2）随机变载荷（非周期性） 载荷： 1）名义载荷 2）计算载荷
② m—特性系数（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
三、材料的疲劳极限应力图
材料的疲劳极限应力图——同一种材料在不同的应力循
环特性下的疲劳极限图（ m a 图）
对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环 特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对 应着该材料的最大应力 max ，再由应力循环特性 可求出 min max 和 m 、 a 。
N
当N>103(104)——高周循环疲劳
当 103 (104 ) N N0 时随循
环次数↑疲劳极限↓
有限寿命区
无限寿命区
N
2）无限寿命区
N N0
rN r ——持久极限 O
N
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 )
m rN
N
m r
N0
C
∴疲劳极限
rN
m
N0 N
r
KN
r
几点说明：
KN
m
N0 N
——寿命系数
① No 硬度≤350HBS钢，No=107 ≥350HBS钢，No=25x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无 限寿命区
2.2 静应力下机械零件的整体强度
1、静应力下的失效形式：断裂和塑性变形。
2、静强度条件：
或
（单向应力）
塑性材料：σlim=σs，τlim=τs
脆性材料:σlim=σB，τlim=τB
复合应力时的塑性材料：
按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算
由第三强度理论 （最大剪应力理论）
ca 2 4 2 [ ] s /[s]
45°
O
s B
45°
C
S
m
如图脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的
点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限 r
AE r lim rm ra max r
ES lim rm ra s
a
A B E
max s
45°
表面光滑
▲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。
表面粗糙
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
3、疲劳断裂的特征 疲劳断裂具有以下特征：
表面光滑
▲ 疲劳断裂的最大应力远比 静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;
▲ 疲劳断口均表现为无明显 塑性变形的脆性突然断裂;
后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。
2、疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N。
3、疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲劳极限与应力
循环次数之间关系的曲线 rN N
No —循环基数
r —持久ຫໍສະໝຸດ Baidu限
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
以 m为横坐标、 a 为纵坐标，即可得材料在不同应
力循环特性下的极限 rm 和 ra 的关系图。
材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 1, 0 和 s 而作出。
a A
B E
A——对称疲劳极限点 B——脉动疲劳极限点 S —— 屈服极限点 C ——强度极限点
O
s B
45°
C
S
m
折线以内为疲 劳和塑性安全区， 折线以外为疲劳 和塑性失效区， 工作应力点离折 线越远，安全程 度愈高。
当循环应力参数（ σm，σa ）落在OAES以内时，表示不会发生疲 劳破坏。
当应力点落在OAES以外时，一定会发生疲劳破坏。
而正好落在AES折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。
表面粗糙
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
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。
二、 材料的疲劳曲线
1、疲劳极限 rN ( rN ) ：r一定的变应力下，应力循环N次