湖南大学机械设计课件第3章.doc

第三章 机械零件的强度 （一）教学要求： 了解交变应力与疲劳失效，疲劳强度的基本理论。 熟悉疲劳失效的过程、应力循环特征及术语、常见的交变应力规律 掌握( — N 疲劳曲线，机械零件的持久极限计算。 注意工程应用分析时的简化处理方法。 （二）教学的重点与难点 交变应力及其描述，疲劳破坏原因、特征，疲劳曲线，机械零件的持久极限计算。 难点：极限应力图绘制及应用。 （三）教学时数： 2学时 静应力强度——若整个工作寿命期限内应力变化次数103，则此时按静应力强度设计，如材料力学中公式 实际上，很多零件是在变应力条件下工作的，此时疲劳破坏是其主要破坏形式。 疲劳破坏——交变应力作用下 本章讨论 脆断－－低应力作用下 接触强度 §3-1 疲劳曲线 一、基本概念 1、交变应力的定义：——工作时应力随时间而变化 2、交变应力的描述： 最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力σm 应力幅值σa 应力循环次数N——（对钢材，常定为106~108） 循环特性（应力比）γ 3、交变应力的类型： 对称循环交变应力 ——γ=-1，如车轮受力 脉动循环交变应力 ——γ=0，如齿轮受力 试验表明：σ-1与强度极限的大致关系为： σ-1拉(0.28σb σ-1弯(0.4σb τ-1扭(0.22σb 4、疲劳破坏的特点： ——破坏时所受应力远小于强度极限。 5、疲劳破坏的原因： ——微裂纹产生和不断扩展。 二、σ-N疲劳曲线 ——记录试件受交变应力作用时，在不同的最大应力σmax作用下引起破坏所经历的应力循环次数N，得到σ-N曲线。 CD段上任一点处的疲劳极限——称为有限寿命疲劳极限σγN D点以后——称为无限寿命疲劳阶段 D点处——称为持久疲劳极限 在CD段： m为材料常数（对钢材料： 在弯曲和拉压时，m=6~20，常可取为9） D点后： 常可设一循环基数N0，此时的应力记为σrN0（或记为σr） 应有： 故： 式中：寿命系数 三、等寿命疲劳曲线（又称极限应力曲线、疲劳极限图） 注意：关键值σ-1（对称循环疲劳极限）和σs（屈服极限） 此图的作法： (不同的γ值下作出σmax-N图； (取一循环基数N0（如107）； (由此作垂线与各σmax-N图相交；将各交点的值经过处理后描于σm—σa图上； (即得等寿命疲劳曲线。 上图常用折线图代替。 注意几个关键值： σs——屈服极限 σ-1——对称循环疲劳极限 σ0——脉动循环疲劳极限 直线A′G′的方程为： 直线C′G′的方程为： σa′+σm′ = σs §3-2 疲劳强度计算 实际零件的疲劳极限一般会小于试验件的疲劳强度，因为加工和工作时会有一些不确定的因素影响。 故：以弯曲为例 零件的疲劳极限应为： 从图形上考虑此问题，可将极限应力线图中的A′G′线下移（ C′G′线不变）至AG线。 通过求AG线的方程（与上节类似），可得： 零件的材料常数为(弯曲时)： Kσ的计算公式： 其中四个系数的值均可查表得到。 切应力的推算与上类似！略 一、单向稳定变应力时疲劳强度的计算 1、γ=C时（例如转轴，C代表常数） (由危险截面的σmax与σmin求得该点的σm和σa) 2、σm=C时（例如振动着的受载弹簧,C代表常数） (由危险截面的σmax与σmin求得该点的σm和σa) 3、σmin=C时（例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷，C代表常数） 注意：σmin=σm-σa＝C (由危险截面的σmax与σmin求得该点的σm和σa) 同上理，可以求出M ′点处的极限应力σmax′ 二、单向不稳定变应力时疲劳强度的计算 非规律性——按大量试验找统计分布规律，统计疲劳强度。 规律性——按疲劳损伤累积假说（Miner法则）。 试验表明： ……，经过一系列推导，可得强度条件公式： 三、双向稳定变应力时疲劳强度的计算 ——指同时受法向和切向对称循环稳定变应力。 介绍略。 四、提高疲劳强度的措施 1、减少应力集中——如设置圆角、减少截面形状的突变，加减载槽。 2、提高表面质量，减少裂纹。 3、改选疲劳强度高的材料，并选择恰当的热处理方法。 §3-3 零件的抗断裂强度 工作应力许用应力时却突然断裂，称为低应力脆断。 分析表明