第二章第二章 机械零件的疲机械零件的疲劳强度度设计 第一第一第一第一节节 概概概概 述述述述 一、一、载荷的分荷的分类 1 1循循环变载荷荷 a) a) 稳定循定循环变载荷荷 b) b) 不不稳定循定循环变载荷荷2 2随机随机变载荷荷静载荷静载荷变载荷变载荷1. 1. 1. 变变变化化化化化化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷2. 2. 2. 作用作用作用作用作用作用随机随机变应力力静静应力力规律性不律性不稳定定变应力力二、二、应力的分力的分类1. 应力种力种类变应力力随机随机变应力力循循环变应力力 稳定循环变应力规律性不律性不稳定定变应力力对称循称循环脉脉动循循环非非对称循称循环2、稳定循定循环变应力的根本参数和种力的根本参数和种类 1) 根本参数根本参数 应力循力循环特性特性最大最大应力力最小最小应力力平均平均应力力应 力力 幅幅2) 稳定循定循环变应力种力种类 -1 +1非对称 =+1 静应力 = 1 对称 = 0 脉动三、疲三、疲劳破坏破坏 1.疲劳破坏特征： 1断裂过程：产生初始裂纹 应力较大处裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹。 2断裂面：光滑区疲劳开展区粗糙区脆性断裂区 3无明显塑性变形的脆性忽然断裂 4破坏时应力疲劳极限远小于资料的屈服极限2.2.疲疲劳破坏的机理：破坏的机理：损伤的累的累积3.3.影响要素：影响要素：资料性能，料性能，变应力的循力的循环特性，特性，应力循力循环次数，次数，应力幅都力幅都对疲疲劳极限有很大影响。极限有很大影响。第二第二第二第二节节 疲疲疲疲劳劳曲曲曲曲线线和极限和极限和极限和极限应应力力力力图图疲疲劳极限：极限： 循循环变应力下力下应力循力循环N N次后次后资料不料不发生疲生疲劳破坏破坏时的最大的最大应力称力称为资料的疲料的疲劳极限。极限。疲疲劳寿命：寿命： 资料疲料疲劳失效前所失效前所阅历的的应力循力循环次次数数 N N一、疲一、疲劳曲曲线 应力循力循环特性一定特性一定时，资料的疲料的疲劳极限与极限与应力力循循环次数之次数之间关系的曲关系的曲线。 耐久极限1 1无限寿命区无限寿命区循环基数循环基数 耐久极限对称循环：对称循环：脉动循环：脉动循环：2 2有限寿命区有限寿命区 当当N103(104)N103(104)高周循高周循环疲疲劳随循随循环次数次数疲疲劳极限极限3 3疲劳曲线方程疲劳曲线方程疲劳极限疲劳极限几点阐明：几点阐明： 2 2硬度硬度350HBS350HBS钢，No=106107No=106107；350HBS350HBS钢，No No =10x107 25x107=10x107 25x107；有色金属；有色金属( (无程度部分无程度部分) No=25x107 ) No=25x107 。3 3mm指数与指数与应力与力与资料的种料的种类有关。有关。钢拉拉压、弯曲、弯曲应力、扭剪力、扭剪应力力 m=9 m=9；接触；接触应力力m=6m=6。青青铜弯曲弯曲应力力 m=9 m=9 ；接触；接触应力力m=8m=8。1 1KNKN寿命系数，寿命系数，NNoNNo时，取，取N=No N=No 。二、疲二、疲二、疲二、疲劳劳寿命一定寿命一定寿命一定寿命一定时时，同一种，同一种，同一种，同一种资资料在不同的料在不同的料在不同的料在不同的应应力力力力循循循循环环特性下的疲特性下的疲特性下的疲特性下的疲劳劳极限极限极限极限图图-1-1-10/20/20/20/20/20/2sssbbb00 0 G C G C G Cmmmaaa A A A E E E B B B(rm (rm (rm ,ra),ra),ra)450450450r :-1+1r :-1+1r :-1+1A :A :A :对对对称循称循称循称循称循称循环环环极限极限极限极限极限极限应应应力点力点力点力点力点力点B :B :B :脉脉脉脉脉脉动动动循循循循循循环环环极限极限极限极限极限极限应应应力点力点力点力点力点力点C :C :C :静静静静静静强强强度极度极度极度极度极度极限限限限限限应应应力点力点力点力点力点力点高塑钢高塑钢AG疲疲劳强度度线；GC 屈服屈服强度度线。不允许塑性变形不允许塑性变形-1-1-10/20/20/20/20/20/2sssbbb00 0 G C G C G Cmmmaaa A A A E E E B B B(rm (rm (rm ,ra),ra),ra)450450450 D D D高塑高塑钢AG线方程：方程：低塑低塑钢或或铸铁AC线方程：方程：第三第三第三第三节节 影响零件疲影响零件疲影响零件疲影响零件疲劳强劳强度的主要要素度的主要要素度的主要要素度的主要要素一、一、应力集中的影响力集中的影响零件受零件受载时，在几何外形突，在几何外形突变处圆角、凹槽、孔、角、凹槽、孔、螺螺纹、过盈配合等要盈配合等要产生生应力集中。力集中。对应力集中的敏感程度与零件的力集中的敏感程度与零件的资料有关，普通料有关，普通资料料强度越高，硬度越高，度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。力集中越敏感。 疲疲劳缺口系数缺口系数 二、零件尺寸的影响二、零件尺寸的影响尺寸系数尺寸系数 零件尺寸逾大零件尺寸逾大时，资料的晶粒料的晶粒较粗；粗；冷、冷、热加工中出加工中出现缺陷的概率大；缺陷的概率大；机械加工后外表冷作硬化机械加工后外表冷作硬化层相相对较薄，薄，对零件疲零件疲劳强度的不良影响愈度的不良影响愈显著。著。 三、外表形状的影响三、外表形状的影响 外表形状系数外表形状系数外表外表质量量指外表粗糙度、外表指外表粗糙度、外表强化及任化及任务环境。境。强化化处置置淬火、渗氮、渗碳、淬火、渗氮、渗碳、热处置、抛光、置、抛光、喷丸、丸、滚压等冷作工等冷作工艺。四、四、综合影响系数合影响系数 综合合影影响响系系数数表表示示了了资料料极极限限应力力幅幅与与零零件件极极限限应力幅的比力幅的比值。零件的疲零件的疲劳极限极限第四第四第四第四节节 受受受受稳稳定循定循定循定循环应环应力力力力时时零件的疲零件的疲零件的疲零件的疲劳强劳强度度度度一、受一、受单向向应力力时零件的平安系数零件的平安系数AA ABB BDD DD1D1D1GGGB1B1B1A1A1A1P1P1P1aaammmsss0/20/20/200 00/2KD0/2KD0/2KD-1/KD-1/KD-1/KD-1-1-1零件的零件的只受只受单向拉向拉压、弯曲、改弯曲、改动等等零件极限零件极限应力力图A1B1D1G疲疲劳强度度线A1D1屈服屈服强度度线GD1直直线A1D1的方程：的方程：D1D1D1GGGA1A1A1N1N1N1aaammmsssmmm00 0aaa-1/KD-1/KD-1/KD规律下疲劳强度分析图规律下疲劳强度分析图NN NKKKMMMMMM11 1HHH确定零件危确定零件危险截面截面上的任上的任务应力点力点N。在极限在极限应力力线上确上确定极限定极限应力点力点N1。应力增力增长规律：律：1难以确定零件任以确定零件任务应力增力增长规律律时。极限极限应力点力点为N1。OA1D1为疲疲劳强度区度区OD1G 为屈服屈服强度区度区大多数转轴中的应力形状大多数转轴中的应力形状 D1D1D1GGGA1A1A1N1N1N1aaammmsssmmm00 0aaa-1/KD-1/KD-1/KDNN NKKKMMMMMM11 1HHHa) 任务应力点位于任务应力点位于OA1D1内内按疲劳强度计算按疲劳强度计算零件的疲劳极限为零件的疲劳极限为强度条件为强度条件为 b)任务应力点位于任务应力点位于OD1G 内内极限应力为屈服极限极限应力为屈服极限按静强度计算按静强度计算D1D1D1GGGA1A1A1N1N1N1aaammmsssmmm00 0aaa-1/KD-1/KD-1/KDNN NKKKMMMMMM11 1HHH不易判别任务应力点落在哪个区，那么按两式同时核不易判别任务应力点落在哪个区，那么按两式同时核算两种平安系数。算两种平安系数。2振动中的受载弹簧的应力形状振动中的受载弹簧的应力形状D1D1D1GGGA1A1A1N1N1N1aaammmsssmmm00 0-1/KD-1/KD-1/KDNN NMMM11 1mmmFF FEE EPP PMMMOA1D1E为疲疲劳强度区度区ED1G 为屈服屈服强度区度区a) 任务应力点位于任务应力点位于OA1D1E内内强度条件：强度条件： 按两式同按两式同时验算算3紧螺栓联接中的螺栓应力形状紧螺栓联接中的螺栓应力形状 D1D1D1GGGA1A1A1N1N1N1aaammmsssminminmin00 0-1/KD-1/KD-1/KDNN NMMM11 1minminminFF FEE EPP PMMM按两式同按两式同时验算算留意：留意：1 1假假设零件所受零件所受应力力变化化规律不能一定，普通采用律不能一定，普通采用=C=C的情况的情况计算。算。2 2上述上述计算均算均为按无限寿命按无限寿命进展零件展零件设计，假，假设按有限按有限寿命要求寿命要求设计零件零件时，即，即应力循力循环次数次数103(104)NNo103(104)NNo时，这时上述公式中的极限上述公式中的极限应力力应为有限寿命的疲有限寿命的疲劳极限极限 ，即，即应以以-1N -1N 代代-1 -1 ，以，以oNoN代代o o 3 3当未知任务应力点所在区域时，应同时思索能够出当未知任务应力点所在区域时，应同时思索能够出现的两种情况现的两种情况4 4对切切应力上述公式同力上述公式同样适用，只需将适用，只需将改改为即可。即可。二、受复合应力时的平安系数二、受复合应力时的平安系数 1、对称循称循环稳定定变应力下弯扭复合力下弯扭复合塑塑性性资料的平安系数料的平安系数计算算2、低塑性和脆性资料的平安系数计算、低塑性和脆性资料的平安系数计算三、许用平安系数三、许用平安系数 1、疲劳强度许用平安系数、疲劳强度许用平安系数2、静强度许用平安系数、静强度许用平安系数