机械设计-零件强度PPT课件

2、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 图a）
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
minmax
和 、m a
以 m为横坐标、 为a 纵坐标，即可得材料在不同应力循环
2
2、稳定循环变应力的基本参数和种类
a) 基本参数
最大应力 最小应力
maxma mi nma
平均应力 应力幅
应力循环特性
m
m
axm
2
a
maxm
2
min
max
1 1
b) 稳定循环变应力种类：
γ = –1 ——对称循环变应力 γ = 0 —— 脉动循环变应力
-1< γ<+1——不对称循环变应力 γ =+1 —— 静应力
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
区
② m—指数与Hale Waihona Puke Baidu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
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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
3
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
a
O t
a O
t
3）名义应力和计算应力
名义应力——由名义载荷产生的应力 ( ) 计算应力——由计算载荷产生的应力 ca(ca)
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§ 2—2 静应力时机械零件的强度计算
一、单向应力下的塑性零件
强度条件：
ca
ca
[ [ ]
GC上各点： lim m 如果a s 不会屈m服ax破坏s
a
A'
45°
O
D' G'
s B
45°
B
C
m
材料的简化极限 应力线图，可根 据材料的和三个 试验数据 1,和0
而作出s
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。
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A(0,1)
应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。 8
二、材料的疲劳曲线和极限应力图
N (N ) ——疲劳极限，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称 为材料的疲劳极限
疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N
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 N N
复合应力计算安全系数为：
sca
s
[s]
2 (s )22
s
sca
ss [s] s2 s2
三、脆性材料与低塑性材料
失效形式：断裂
脆性材料极限应力： B（强度极限）
1、单向应力状态
强度条件：
ca
[]
或B
[s]
ca
[或]
B
[s]
s
B ca
[s]
s
B ca
[s]
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2、复合应力下工作的零件
按第一强度条件： ca1 2(242)[] [sB ]
第二章 机械零件的强度
§2—1 载荷与应力的分类
一、载荷的分类
静载荷 变载荷： 1）循环变载荷
a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷 2）随机变载荷
载荷：1）名义载荷 2）计算载荷
1
二、应力的分类
1、应力种类 静应力 变应力：
稳定循环变应力
不稳定变应力：
一个循环
O
O
t
t
规律性不稳定变应力
随机变应力
及延长线
考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得 GC
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三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图
由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、 应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响 使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、 零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。
No —循环基数
N
—持久极限
有限寿命区
无限寿命区
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
O
N
N
N0
9N
当N>103(104)——高周循环疲 N
劳当13 0(10 4)N 时N 随0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
N ——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 (130 (140 )NN0)
m NNmN0C
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∴疲劳极限
N mN N0 KN
几点说明：
KN
m
N0 N
——寿命系数
① No 硬度≤350HBS钢， No=107
≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
特性下的极限 和 m 的关a系图
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a A'
D' G'
45°
O
s B
45°
B
C
m
如图 A′B——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
A′——对称疲劳极限点 D′——脉动疲劳极限点
B —— 屈服极限点
C ——强度极限点
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AG 上各点： m a x lim 如m 果a 不会m疲ax劳破m 坏ax
2、疲劳破坏特征：
1）断裂过程：①产生初始裂纹 （应力较大处）
②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩
展，直至产生疲劳裂纹。
2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）
②粗糙区（脆性断裂区）
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
3、疲劳破坏的机理：损伤的累积 4、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，
m 2 0 , 1 ,对m 称极 a限x点 1
B(B,0)
D(0 , 0 )
22
a 0 ,m a强x l度i m 极限m ,点 1
a
a
mm 202ma脉x动2疲劳极限0点
C(s,0) 屈服极限点
简化极限应力线图：——简化极限应力图 ADGC
作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得AD
（最大主应力理论）
sca
2B 242
[s]
注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）
—强度计算应计入应力集中的影响
脆性材料（铸铁）
—强度计算不考虑应力集中
一般工作期内应力变化次数<103（104）按静应力强度计 算
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§2-3 机械零件的疲劳强度计算
一、变应力作用下机械零件的失效特征
1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）
]
s
[ s ]
s
[ s ]
或
s
s
s ca
s ca
[s] [s]
二、复合应力时的塑性材料零件
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 242[]s/s []
由第四强度理论： （最大变形能理论）
ca 23 2[]s/s []
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