第三章机械零件的强度课件.ppt

第三章 机械零件的强度,基本内容：(1)材料的疲劳特性；(2)机械零件的疲劳强度计算；(3)机械零件的抗断裂强度；(4)机械零件的接触强度；,第三章 机械零件的强度,基本要求：(1)掌握静应力时机械零件的强度计算；(2)掌握变应力时机械零件的强度计算；(3)掌握寿命系数的概念。,重点难点：变应力时机械零件的强度计算。,第三章 机械零件的强度,第一节 材料的疲劳特性,一、基本概念,1载荷 静载荷：不随时间变化或随时间缓慢变化的载荷。 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷。 名义载荷： 在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷。 计算载荷：载荷系数K名义载荷。注意：计算载荷比名义载荷更接近于实际载荷。,第三章 机械零件的强度,2应力,静应力 r=+1,变应力,循环变应力,随机变应力,恒幅循环变应力,变幅循环变应力,对称循环应力 r1,脉动循环应力 r=0,非对称循环应力,循环特性,第三章 机械零件的强度,名义应力： 根据名义载荷求得的应力。计算应力： 根据计算载荷求得的应力，表示的是零件在工作中实际受到的应力。,(静应力下，极限应力为定值：（屈服,许用应力：,极限应力：,极限）或 （强度极限）;变应力下，极限应力是变值）,第三章 机械零件的强度,稳定循环变应力及特性：最大应力：,最小应力：,平均应力：,应力幅值：,循环特性：,变应力的关系：,第三章 机械零件的强度,稳定循环变应力的类型及特性：,1）对称循环变应力：2）脉动循环变应力：,3) 非对称循环变应力：,4）静应力：,r =+1,第三章 机械零件的强度,二、材料的疲劳特性,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂过程： 很多机械零件受变应力作用。即使变应力的,或,。而变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，零件表层产生微小裂纹；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。,第三章 机械零件的强度,疲劳断裂具有以下特征： 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; 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。,第三章 机械零件的强度,材料的疲劳特性可用最大应力,、应力循环次数 、,应力比（循环特性）,来描述。机械零件材料的抗疲劳性,能是通过试验来测量的。,曲线：在一定的应力比,下，疲劳极限（以最大应力,表示）与应力循环次数,的关系曲线。,第三章 机械零件的强度,寿命曲线或极限应力线图：在一定的应力循环次数,下，平均应力,与应力幅值,的关系曲线。,第三章 机械零件的强度,（一）、,疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为,，意味着,。,在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限 。,在AB段，,静应力强度。,第三章 机械零件的强度,BC段，,这一阶段的疲劳现象称为应变疲劳，也叫低周疲劳。,但绝大多数通用零件其承受的变应力，循环次数,的，应在,和,以后两段曲线所对应,总是大于,高周疲劳的范畴，即,的疲劳。,第三章 机械零件的强度,材料的疲劳极限：, 在应力比为r的循环变,。疲劳寿命： 材料疲劳失效前所经历的应力循环,不同，即,与t、N,几个概念：,应力作用下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时，,所能承受的最大应力 。,次数。t不同或N不同时，疲劳极限,有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为 。,第三章 机械零件的强度,CD段代表有限寿命疲劳阶段，CD曲线上任何一点所代表的疲劳极限，称为有限寿命疲劳极限，用 表示，脚标r表示该变应力的应力比，N表示应力循环次数。,CD段可用下式来描述:,第三章 机械零件的强度,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命疲劳阶段，也就是说，如果作用的变应力的最大应力小于D点的应力，无论应力循环多少次，材料都不会发生疲劳破坏。D点以后的线段可用下式描述：,表示D点对应的疲劳极限，,。,称为持久疲劳极限，D点所对应,的循环次数为 。,第三章 机械零件的强度,，称为循环基数，用,与,相对应的疲劳极限,（简称,）来近似代表,和,，上式可写为：,作用：根据,和,可求得有限寿命区间内任意,）时的疲劳极限:,循环次数N(,式中,为寿命系数，等于,与,的比值，,为材料常数，,其值由试验决定：,第三章 机械零件的强度,对于钢材，在弯曲疲劳和拉压疲劳时，,，,，在初步计算中，钢制零件受弯曲疲劳时，,，大尺寸零件取,中等尺寸零件取,当N大于疲劳曲线转折点D,所对应的循环次数ND时，,上式中的N就取ND，就是,第三章 机械零件的强度,（二）、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,试件的试验条件：1）光滑、无应力集中源；2）标准尺寸。,当应力循环次数N为定值时（ N= N0 ），试验得出 r 与r 的关系。通常是找m与a 的关系，间接代表r 与r 的关系。,第三章 机械零件的强度,在作材料试验时，求出对称循环和脉动循环时的疲劳极限,和,，把这两个极限应力标在,图上。在对称循环,中：,对称循环疲劳极限可以,用纵坐标上的A点表示。,脉动循环疲劳极限可以,用过原点所作的45直线上,的D点表示。,O,第三章 机械零件的强度,O,连接AD，其直线方程可由两点式方程得出：,称为试件受,循环弯曲应力时的材料常数.,，其中,第三章 机械零件的强度,O,横坐标上任意一点都代表应力幅等于0的应力，,即静应力，取C点的坐标值等于材料的,屈服极限,。,直线CG的方程为：,直线AG上任何一点代表了,一定循环特性时的疲劳极限，,CG上任何一点均代表其,最大应力达到了屈服极限应力，,第三章 机械零件的强度,O,当循环应力参数（,落在OAGC以内时，表示不会发生疲劳破坏，当应力点落在OAGC以外时，一定会发生疲劳破坏，而正好落在AGC折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。,）,第三章 机械零件的强度,第二节 机械零件的疲劳强度计算,一、零件的极限应力线图,零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,设材料的对称循环弯曲疲劳极限为：,零件的对称循环弯曲疲劳极限为：,，则弯曲,疲劳极限的综合影响系数：,在不对称循环时，,是试件与零件极限应力幅的比值。,第三章 机械零件的强度,零件的极限应力曲线就以折线AGC表示：,直线AG的方程,或,直线CG的方程为：,式中：,为零件受循环弯曲应力时的极限应力幅，,为零件受循环弯曲应力时的极限平均应力，,第三章 机械零件的强度,为弯曲疲劳极限的综合影响系数，反映了：应力集中、,为零件受循环弯曲应力时的材料常数，计算公式为：,尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。,式中：,为零件的有效应力集中系数，,为零件的尺寸系数，,为零件的表面质量系数，,为,零件的强化系数。,第三章 机械零件的强度,若为切应力情况，只需将上述公式中的,用,替换掉，,就可得出极限应力曲线的方程：,为零件受循环切应力时的材料常数，,为试件受循环切应力时的材料常数，,剪切疲劳极限的综合影响系数，,、,、,、,分别是切应力情况下，零件的有效应力集,中系数、尺寸系数、表面质量系数、强化系数。,钢材的表面质量系数,第三章 机械零件的强度,二、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,设计中，应根据零件工作应力的可能增长规律确定,极限应力点。典型的应力增长规律通常有三种：,a）变应力的应力比保持不变，即,b）变应力的平均应力保持,不变，即,c）变应力的最小应力保持,不变，即,第三章 机械零件的强度,1）,的情况,由于,，,所以，,射线 OM、ON上任何,都具有相同的应力比，,M、N为极限应力点。,对应M点的零件的极限应力：,一个点所代表的应力循环,第三章 机械零件的强度,计算安全系数,或强度条件为：,N只需进行静强度计算 ：,凡是工作应力点位于OGC区域内，在应力比等于常数的情况下，极限应力为屈服极限，仅作,静强度计算。工作应力点位于OAG区域内，在应力比等于常数的情况下，必须作疲劳计算。,第三章 机械零件的强度,2）,的情况,垂直线MM、NN上任何一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。,对应M点的零件的极限应力为：,极限应力幅为：,第三章 机械零件的强度,计算安全系数或强度条件为：,N位于直线CG上，故也只需进行静强度计算:,凡是工作应力点位于CGH区域内，在平均应力等于常数的情况下，极限应力为屈服极限，仅作静强度计算，工作应力点位于OHGA区域内，在平均应力等于常数的情况下，必须作疲劳计算。,第三章 机械零件的强度,3）,的情况,过M或N点作45 直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力，,过O和G作与横坐标轴成45的直线OJ和GI，把安全工作区域分成三个部分，当工作应力点位于AOJ区域内时，最小应力为负值，一般很少见，在此不予讨论，当工作应力点位于GIC区域内时，极限应力为屈服极限，,按静强度计算，只有当工作应力点位于OJGI区域内时，极限应力为疲劳极限应力，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。,第三章 机械零件的强度,通过联立直线M M和AG的方程可求解M点的坐标值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：,N位于直线CG上，故也只需进行静强度计算，即：,第三章 机械零件的强度,三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,规律性的不稳定变应力，是根据疲劳损伤累积假说进行计算。 非规律性的不稳定变应力，是用统计方法进行疲劳强度计算。,不稳定变应力可分为非规律性的和规律性的两大类。,第三章 机械零件的强度,若假设应力每循环一次对材料的破坏起相同的作用，那么，,应力,每循环一次对材料的损伤率即为,，循环了,次，,对材料的损伤率为,，依此类推，循环,次的,对材料,，。,的损伤率为,第三章 机械零件的强度,当损伤率达到100时，材料发生疲劳破坏，即有：,写成一般形式：,其中，,这就是疲劳损伤累积假说的数学表达式,第三章 机械零件的强度,实验表明：,1）当各作用的应力幅无巨大的差别以及无短时的强烈过载时，上式是正确的。,2）当应力作用顺序是先大后小时，等号右边值 1，即：,。,3）当应力作用顺序是先小后大时，等号右边值 1，即：,一般情况有：,容易破坏,不容易破坏,第三章 机械零件的强度,不稳定变应力时的极限条件为：,若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有：,令不稳定变应力的计算应力为：,则：,，其强度条件为：,第三章 机械零件的强度,四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算,当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力,和,时，由实验得出的极限应力关系式为：,式中,及,为同时作用的,切向及法向应力幅的极限值。,第三章 机械零件的强度,极限应力关系为：,而,、,是零件上只承受,切向应力或只承受法向应力时的计算安全系数,第三章 机械零件的强度,故有计算安全系数为：,当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环时，有：,然后由上式求出零件的计算安全系数。,第三章 机械零件的强度,五、提高机械零件疲劳强度的措施,1）尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。,2）采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。,3）适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。,4）尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,第三章 机械零件的强度,第三节 机械零件的抗断裂强度,低应力脆断：工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂。,通过对大量结构断裂事故分析，大部分低应力脆裂都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中。,结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。,第三章 机械零件的强度,对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。 因此，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。 断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。,第三章 机械零件的强度,为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了应力强度因子K1或K2、K3和断裂韧度Kc或Kc、Kc这两个新的度量指标来判别结构安全性，即：,K1K1c时，裂纹不会失稳扩展。,K1K1c时，裂纹失稳扩展。,第三章 机械零件的强度,第四节 机械零件的接触强度,共形面:两相互接触的面的几何形态完全相同，处处贴合.,异形面在未受外力时的初始接触情况，常见的接触形式为点接触或线接触(又分外接触和内接触)。,第三章 机械零件的强度,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,第三章 机械零件的强度,使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为疲劳点蚀。,接触失效形式常表现为：疲劳点蚀后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,第三章 机械零件的强度,接触应力为：,赫兹公式及其说明,3-4 机械零件的接触强度,增强措施: F、b、及材料、热处理,