【文档说明】机械零件的疲劳强度.pptx，共(64)页，719.242 KB，由精品优选上传

转载请保留链接：https://www.ichengzhen.cn/view-260656.html

以下为本文档部分文字说明：

第3章机械零件的疲劳强度初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区轴疲劳强度计算方法：安全——寿命设计法在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为零件失效。破损——安全设计法允许零件存在裂纹，但须保证在

规定的工作周期内能安全可靠的工作。3.1疲劳断裂特征疲劳断裂分为两个阶段：第一阶段产生初始裂纹，形成疲劳源；第二阶段裂纹扩展发生断裂。NσσrNσrNN0疲劳曲线N—应力循环次数σrN—疲劳极限（对应于N）σr—疲劳极限（对应于N0）有限寿命区无限寿命区常数=NmrN0Nmr

=由此得：与应力状态有关的指数3.2疲劳曲线和极限应力图3.2.1疲劳曲线（σ-N曲线）式中，σr、N0及m的值由材料试验确定。m0rrNNN=0mrNrNN=m0NkNN=

称为寿命系数N0—循环基数（一般规定为）710几点说明：σr又称为材料的疲劳极限。对称循环：σr=σ-1；脉动循环：σr=σ0m是双对数坐标上的疲劳曲线的斜率rrN0lg-lglgN-lgNm=（3.3）例题3.1已知45钢的σ-1=300MPa，N0＝，m=9，用双对

数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。710解：在双对数坐标上取一点B，其坐标为70lg10lgN=lg300lg1-=过B作斜率等于-1/9的直线，即为所求的疲劳曲线。总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通

常分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设计，以期减小零件尺寸和重量。3.2.2疲劳极限应力图材料在不同循环特性下的疲劳极限可以用极限应力图表示。amr

+=amammaxminr+−==极限平均应力极限应力幅常用的简化方法：以对称循环疲劳极限点A（0，）和静应力的强度极限点F（，0）作与脉动疲劳极限点B（，）的连线，所得折线ABF即为简化的极限应力图。1−2/0B2/

0折线上各点：横坐标为极限平均应力，纵坐标为极限应力幅。直线ES为塑性屈服极限曲线，sammax=+=总结：根据材料在各种循环特性下的疲劳实验结果，可以绘制出以平均应力和应力幅为坐标的疲劳极限应力曲线。利

用极限应力图可以判断零件是否发生失效，并进一步分析引起零件失效的原因。3.3影响机械零件疲劳强度的主要因素3.3.1应力集中的影响）（1q1k−+=）（1q1k−+=有效应力集中系数材料对应力集中的敏感系数理论应力集中系数在结构上，减缓零件几何尺寸的突变、

增大过渡圆角半径、增加卸载结构等都可降低应力集中，提高零件的疲劳强度。强度极限越高的钢敏感系数q值越大，对应力集中越明显。1kk==铸铁：)10.6(k1k−+=若同一剖面上有几个应力集中源，则应选择影响最大者进行计算。3.3.2尺寸的影响尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数表示，

，零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。3.3.3表面状态的影响零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。表面状态对疲劳强度的影响，可用表面状态系数来表示。，4.06.0+=钢的强度极限越高，表面状态对疲劳强度的影响越大。铸铁对表面状态很不敏感，1==

残余拉应力会降低疲劳强度。3.3.4综合影响系数零件的应力集中，尺寸及表面状态只对应力幅有影响，对平均应力影响不大，k)k(D=k)k(D=在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数，或材料的极限应力幅除以综合影响系数。3.4许用疲劳极限应力图

3.4.1稳定变应力和非稳定变应力稳定变应力：在循环过程中，，和周期都不随时间变化的变应力。ma非稳定变应力：，和周期其中任意一参数随时间变化的应力。它是由载荷和工作转速变化造成的。ma规律性非稳定变应力：作周期性规律变化

的应力。随机性非稳定变应力：随机变化的应力。3.4.2许用疲劳极限应力图))k(k(0AD1N−，))k(2k2k(BD0N0N，3.4.3工作应力的增长规律1、r=C（简单加载）2、=C（复杂加载）m3、（复杂加载）Cmin=3.5稳定变应力时安全系数的计

算3.5.1单向应力状态时的安全系数常数=+−=+−=r1r1minmaxminmaxmar1r1tgma+−==1、图解法最大应力安全系数：OCCOHCOHCGOGSamammaxmax=++=

++==平均应力安全系数：OHOGSmmm==应力幅安全系数：HCCGSaaa==amSSS==111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLS===++=2、解析法maD1N0ND0ND1N)k(k2k)k(2k)k(k

−=−−−mDD1Na)k(1)(kk−=−0012−=−等效系数或敏感系数mDD1Na)k(1)(kk−=−0012−=−aamm

=amD1Na)(kk+=−amaD1NaaaS)(kkS+==−amaD1NaaaS)(kkS+==−maDae)k(+=maDae)k(+=SSmaS+

=SSmaS+=塑性变形只需按静强度计算总结：在r=常数的情况下，当工作应力点位于OA′E′O区域内时，对应的许用极限应力点落在A′E′直线上，可能发生的失效形式为疲劳破坏，故应按疲劳强度计算。当工作应力点位于OE′SO区域内时，对应的许用极限应力点落在E′S直线上，可

能发生的失效形式为塑性变形，应按静强度计算。计算时，常不易判断工作点所在区域，为安全起见，两种方法都要计算。脆性材料不验算屈服强度安全系数。例题3.2一杆件如图3.20所示，受脉动循环拉力，r=常数，材料为40Mn钢，调质处理，200HB~230HB，σB＝735MPa，σS＝

471MPa，圆角精铣加工(相当于精车)，要求应力循环次数不低于5×，求圆角处危险截面的安全系数Sσ。510N103~0NF5=解：1、求和ma2mm21002584A==0Fmin=N103F5max=0AFmi

nmin==MPa1432100103AF5maxmax===0rmaxmin==MPa5.7121432maxam====2、求和1-0MPa30173541.041.0B1-==

=MPa5123017.17.110===−3、求kN39.110510NNk957m0N===4、求圆角处D)k(56.285.068.048.1k)k(D===48.1)175.1(64.01

)1(q1k=−+=−+=q=0.6475.1=68.0=0.85=5、用图解法求安全系数MPa4.16356.230139.1)k(kD1N==−MPa13956.2251239.1)

k(2kD0N==MPa8.355251239.12k0N==A′（0，163.4)B′（355.8，139）S（471，0）14.2100214OCCOSSa====6、用解析法求安全系数计算疲劳强度安全系数14.271.50.176

71.52.5630139.1)(kkSSmaD1Na=+=+==−176.051251230122001=−=−=−计算屈服强度安全系数29.35.715.71471SmaS=+=+=例2已知某

钢材的机械性能为。（1）试按比例绘制该材料的简化疲劳极限应力图；（2）由该材料制成的零件，承受非对称循环应力，其应力循环特性r=0.3，工作应力，零件的有效应力集中系数，零件的尺寸系数，表面状态系数，按简单加载情况在该图中标出工作应力点及对应的极限

应力点；（3）判断该零件的强度是否满足要求？500MPa1-=1000MPaS=800MPa0=800MPamax=49.1k=83.0=1=解：（1）绘制材料的简化疲劳极限应力图。S（1000，0）EA（0，500）B（400，

400）135°OσaσmA（0，）B（，）S（，0）1-2/02/0SA（0，500）B（400，400）S（1000，0）（2）绘制零件的许用极限应力图1kN=))k(k(0AAD1N−，k)k(D=))k(2k2k(BBD

0N0N，S点不必进行修正A′（0，278.5）B′（400，222.8）S（1000，0）S（1000，0）EA（0，500）B（400，400）135°OσaσmA′（0，278.5）B′（400，222.8）S（1000，0

）A′（0，278.5）B′（400，222.8）E′（3）确定工作应力点M的坐标。240MPa8003.0rmaxmin===280MPa22408002minmaxa=−=−=520MPa22408002minmaxm=+=+=工作应力点的坐标为M（520，280）

S（1000，0）EA（0，500）B（400，400）135°OσaσmA＇（0，278.5）B′（400，222.8）S（1000，0）A′（0，278.5）B′（400，222.8）E′M（520，280）M（520，280）M＇M点落在疲劳安全区OA′E′以外，该零件发生疲劳破坏。例3某

轴只受稳定交变应力作用，工作应力材料的机械性能，，轴上危险截面的，，。（1）绘制材料的简化极限应力图；（2）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿命考虑）；（3）取[S]=1.3，试用计算法验证作图法求出的，及S值，并校验此轴是否安全。240MPamax=40M

Pamin−=450MPa1-=800MPas=700MPa0=3.1k=78.0=1=am解：（1）绘制材料的极限应力图S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135°OσaσmA（0，450）B

（350，350）S（800，0）S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135°OσaσmA（0，450）B（350，350）S（800，0）（2）绘制零件的极限应力图A＇（0，270）B＇（350，210）S（800，0）

A＇（0，270）B＇（350，210）（3）在图上标出工作应力点M100MPa2402402minmaxm=−=+=140MPa2402402minmaxa=+=−=工作应力点的坐标为M（100，140）（4）由作图法求极限应力

及安全系数（2）绘制零件的极限应力图A＇（0，270）B＇（350，210）S（800，0）S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135°OσaσmA（0，450）B（350，350）S（800

，0）A＇（0，270）B＇（350，210）M（100，140）M（100，140）M＇M＇（170，241）71.1170291OMMOSSa====（5）用计算法验证r1r1tgma+−==167.024040rmaxmin−

=−==4.1167.010.1671ma=−+=mDD1Na)k(1)(kk−=−2857.070070045022001=−=−=−667.178.03.1k)k(D===aamm=5MPa.2401401002857.06

67.1450)(kkamD1Na=+=+=−8MPa.1714.15.2404.1am===3.1S718.11002857.0140667.1450)(kkSmaD1Na==+=+=−此轴疲劳强度达到安全要求3.6规

律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度3.6.1疲劳损伤积累假说设零件受规律性非稳定变应力、、…；12n各应力作用的循环次数分别为、、…;1N2NnN各应力单独作用下材料发生疲劳破坏的应力循环次数分别为、、…；1N2NnN变应力各循环一次，寿命损伤率分别为、、…1N12N1nN

1各变应力循环、、…次后的损伤率分别为、、…。1N2NnN11NN22NNnnNN疲劳损伤积累假说的表达式1NNNNNNnn2211=+++1NNn1iii==或3.6.2等效稳定变应力和寿命系数等效应力循环次的损伤效应等同于非

稳定变应力下各应力分别循环次的总效应。vvNiiNin1imivmvNN==imn1ivivNN==0mrvmrvNN=mv0NNNk=rNrmv0rvkNN==mn1iimvi0mv0NNNNNk===3.6.3规律性非稳定变应力

时安全系数的计算步骤取等效应力等于非稳定变应力中作用时间最长的和(或)起主要作用的应力，并取的应力幅和平均应力相应地等于的应力幅和平均应力。vivavmviaimi求等效循环次数。vN求等效循环次数时的寿命系数和疲劳极限。Nkrv按等效应力计算疲劳强度安全系数

。按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安全系数。例题3.3图3.23a为一机械工作时的载荷变化图(称为载荷谱)，在一零件上相应引起规律性非稳定对称循环弯曲应力(图3.23b)，设计时近似用三级稳定对称循环弯曲应力来模拟，、、，在每一工作周期内各应力均作用一次，已工作

了周期，零件材料在循环时，。求1)零件的总寿命损伤率；2)估计零件剩余寿命还能工作多少周期。600MPa1=550MPa2=450MPa3=510710400MPa1-=解：1、求总寿命损伤率F0m1-imiNN=mi10iN

N=−59711060.260040010N==59721069.555040010N==59731064.3445040010N=

=532110NNN===总寿命损伤率59.01064.34101069.510102.6010NNNNNNF555555332211=++=++=2、求剩余工作周期RN寿命剩余率R=1

-F=1-0.59=0.413R2R1RNNNNNNR++=700001069.51060.21064.341060.21064.341069.51064.341069.51060.241.0NNNNNNNNNRN555555555213132321R=+

+=++=例题3.4—转轴截面上的非稳定对称循环弯曲应力如图3.24所示。转轴工作时间为200h，转速n为100r/min。材料为45钢，调质处理200HB，，，求寿命系数、疲劳极限和安全系数。ht270MPa1=−()5.2kD=Nk1v-aS解

：1、求寿命系数取m＝9选定等效应力80MPa2v==求各变应力循环次数18000020020310060ttt60n60ntNh1h11====600000200201010060ttt60n60ntNh2h22=

===42000020020710060ttt60n60ntNh3h33====求等效循环次数77999im31iviv1010194.06.160000013411054200008020600000808018000080100NN=++=+

+===求寿命系数2.110194.010NNk977mv0N===2、求疲劳极限324MPa2702.1k1N1v-===−3、求安全系数80MPaav=0mv=62.1805.22702.1)(kkS

mvavD1Na==+=−本章难点：稳定循环简单变应力时极限应力和安全系数的确定。1、当应力循环次数N=N0的对称循环变应力时的极限应力和安全系数极限应力为1−最大工作应力amax=安全系数a1S−=考虑应力集中等因素的影响安全系数aD1)k(S−=2、当应

力循环次数N=N0时的非对称循环应力的极限应力和安全系数amr+=ammin−=ammax+=)(21minmaxa−=)(21minmaxm+=mamaamammaxmin/1/1r+−=+−==

tg1tg1r+−=r1r1tg+−=或2/2/0m01a1=−−−−aamm=maa1a+=−mam1m+=−mama1amr)(

++=+=−ma1mamama1maxr)()(S+=+++==−−maD1)k(S+=−maSmaxSS+==3、当应力循环次数N<N0时零

件在变应力下的极限应力和安全系数常数==0mrmrNNNrNm0rrNk==NNmama1r)(++=−m0NNNk=maD1N)k(kS+=−1-N1N-k=aD1N)k(k

S−=1、某齿轮传动装置如图所示，轮1为主动轮，则轮2的齿面接触应力按变化。A对称循环B脉动循环C循环特性r=-0.5的循环D循环特性r=+1的循环O1O2O3ω12、上图所示的齿轮传动装置，轮1为主动轮，当轮1作双向回转时，则轮1齿面接触应力按变化。A对称循环B脉动循环C循环特性r=

-0.5的循环D循环特性r=+1的循环3、两等宽的圆柱体接触，其直径d1=2d2，弹性模量E1=2E2，则其接触应力值为。A、σH1=σH2B、σH1=2σH2C、σH1=4σH2D、σH1=σH24、某四结构及性能相同的零件甲、乙、丙、丁，若承受最大应力σmax的值相等

，而应力循环特性r分别为+1、0、-0.5、-1，则其中最易发生失效的零件是。A、甲B、乙C、丙D、丁5、某钢制零件材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=300MPa，若疲劳曲线指数m=9，应力循环基数N0=10，当该零件工作的实际应力循环次数N

=10时，则按有限寿命计算，对应于N的疲劳极限σ-1N为MPa。75A、300B、428C、500.4D、430.56、在极限应力图中，工作应力点N的位置如图所示。加载情况属于σmin=常数情况，试用作图法判定其材料的极限应力取为。NA(0，σ-1）ES(σs,0)σmσa0A、

σBB、σ0C、σ-1D、σs7、在图示极限应力图中，M点位工作应力点，应力循环特性r=常数，NO线与横坐标轴间夹角θ=40°，则该零件所受的应力类行为。MA(0，σ-1）ES(σs,0)σmσa0NθA、不变号的不对称循环变应力B、变号的不对称循环变应力C、

对称循环变应力D、脉动循环变应力8、某结构尺寸相同的零件，当采用材料制造时，其有效应力集中系数最大。A、HT200B、35号钢C、40CrNiD、45号钢9、某截面形状一定的零件，当其尺寸增大时，其疲劳极限值将随之。A、增高B、降低C

、不变D、规律不定10、对于承受简单的拉、压、弯及扭矩等体积应力的零件，其相应应力与外载荷成关系；而对理论上为线接触的两接触表面处的接触应力与法向外载荷成关系；对于理论上为点接触的接触应力与法向外载荷成关系。A、线性B、σ∝FC、σ∝FD、σ∝F1/

31/22ACB1、机械零件设计计算的最基本计算准则是。强度2、机械零件的主要失效形式有、、、。整体断裂、表面破坏、变形量过大、破坏正常工作条件引起的失效。3、机械零件的表面损坏形式主要有、、、。磨损、压溃、接触疲劳、腐蚀。4、产品样机试验完成后，为使

设计达到最佳化，需对设计方案进行评价和评价工作。技术评价、经济评价5、作用于机械零件上的名义载荷是指，而设计零件时，应按进行计算，它和名义载荷间的关系式为。根据额定功率用力学公式计算出的作用于零件上的载荷；计算载荷；计算载荷等于名义载荷剩以

载荷系数K。6、提高机械零件强度的主要措施有（列举三项）。合理布置零件；减小所受载荷；降低载荷集中；均匀载荷分布；采用等强度结构；选用合理截面、减小应力集中。7、判断机械零件强度的两种方法是及；其相应的强度条件式分别为及。判断危险截面处的最大应力

是否小于或等于许用应力；判断危险截面处的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数；8、在静载荷作用下的机械零件，不仅可以产生应力，也可能产生应力。静应力；变应力9、在变应力工况下，机械零件的强度失效是；这种损坏的断面包括和两部分。疲劳断裂；光滑区；粗糙区。10、在

静应力工况下，机械零件的强度失效是或。塑性变形；断裂11、机械零件的表面强度主要指、及。表面接触强度；表面挤压强度；表面磨损强度。12、钢制零件的疲劳曲线中，当N<N0时为区；而当N≥N0时为区。有限寿命区；无限寿命区。13、钢制零件的疲

劳曲线上，当疲劳极限几乎与应力循环次数N无关时，称为循环疲劳；而当N<N0时，疲劳极限随循环次数N的增加而降低的称为疲劳。低周循环疲劳；高周循环疲劳14、零件按无限寿命设计时，疲劳极限取疲劳曲线上的应力水平；按有限寿命设计时，预期达到N次循环时的疲劳极限表达式为

。水平线对应的；15、在校核轴危险截面处的安全系数时，在该截面处同时有圆角、键槽及配合边缘等应力集中源，此时应采用应力集中系数进行计算。其中最大的有效应力集中系数。16、零件所受的稳定变应力是指，非稳定变应力是指。每次应力循环中，平均应力、应力幅及周期均不随时间变化的变应力。其中

之一随时间变化的变应力。17、在设计零件时，为了减小截面上的应力集中，可采用的主要措施有、、。增大过渡曲线的曲率半径；交接部分截面尺寸避免相差过大；增设卸载结构。18、提高表面接触强度的主要措施有。（列

举三项）增大接触表面的综合曲率半径；改变接触方式；提高表面硬度；提高加工质量；适当增加润滑油的粘度。19、影响机械零件疲劳强度的主要因素有。（列举三项）应力集中；尺寸大小；表面状态；环境介质；加载顺序和频率。20、钢的强度极限越高，对越敏感；表面越粗糙，表面状态系数。应力集中；越低。21、非稳

定变应力零件的疲劳强度计算中的等效应力通常取等于的应力。非稳定变应力中作用时间最长的或起主要作用的应力。