机械设计学第七章ppt课件.ppt

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1、机械设计学长春工业大学机电学院第七章机械产品设计中的几个主要技术问题机械疲劳设计摩擦学设计可靠性设计机械的热效应设计4123机械的抗振性设计与低噪声设计5机械动态设计6人机学设计7一、疲劳破坏的机制和特点1、疲劳的概念：材料或零件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称为疲劳。第一节机械疲劳设计2、疲劳破坏机制疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹的萌生-扩展-失稳断裂(1)疲劳裂纹萌生由局部塑性应变集中引起，有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；

2、晶界和孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。如：滑移带开裂的过程是出现滑移线，在循环载荷作用下，随着载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变粗而形成滑移带和驻留滑移带。滑移结果，在驻留滑移带上形成“挤入”或“挤出”现象，在继续循环加载的情况下．挤入部分向滑移带纵深发展，从而形成疲劳微裂纹。如图7—2示。第一节机械疲劳设计(2)疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展分为两个阶段：当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与正应力大致成45°角的滑移面扩展。裂纹沿着最大切应力方向的滑移面扩展称

3、为疲劳裂纹第一扩展阶段。该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长度，其范围在2~5个晶粒之内。当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后，裂纹扩展方向开始由应力呈45°方向逐渐转向与应力成垂直的方向，这种拉伸形式的扩展称为第二阶段裂纹扩展，如图7-1示。第一节机械疲劳设计(3)失稳断裂损伤逐渐积累到临界值时，即发生瞬间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图7—2。第一节机械疲劳设计1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力－疲劳断裂应力(即循环应力中最大应力)远比静应力下材料的抗拉强度极限σb低，甚至比材料

4、的屈服强度极限σs低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数：疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的，因而要经历一定的时间，甚至很长时间。3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂：不论是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。3.疲劳破坏特点第一节机械疲劳设计4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等。5）疲劳断口上明显地分为两个区

5、域。在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏断口的显著特点，即有疲劳源(或称疲劳核心)、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7—2所示。第一节机械疲劳设计疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口最重要的特征区域，在该区域中，常见到明显的相互平行的弧形线，称贝纹线或海滩波纹线；瞬断区：也称最终破断区。这是静力破断部分。该区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤维状，对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的唇边、刃口等。第一节机械疲劳设计循环特性：r=-1对称循环r=0脉动循环-1

6、r非0）掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件。1、周期载荷：载荷幅值随时间的变化有规则。周期载荷按照交变应力的特征(应力比r)，可分为：对称循环、脉动循环、不对称循环。二、载荷类型第一节机械疲劳设计最大应力最小应力平均应力应力幅应力比第一节机械疲劳设计2、载荷谱：交变载荷随时间的变化过程3、随机载荷：载荷幅值随时间的变化无规则，载荷不仅幅值变化，频率也变化，但其变化符合统计规律。第一节机械疲劳设计三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限1、疲劳失效交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件受到载荷值随时间变化的交

7、变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布，称之为交变应力或交变应变。疲劳失效：在交变应力与交变应变作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象，称之为疲劳失效；第一节机械疲劳设计材料的疲劳强度指材料或标准试件抵抗疲劳失效的能力，即试件在交变载荷作用下发生破坏时的应力。结构的疲劳强度指结构件抵抗疲劳失效的能力，即结构在交变载荷作用下发生破坏时的应力。此结构指机械零件、部件、整机的统称。衡量疲劳强度大小的指标是“疲劳强度极限”，简称疲劳极限。疲劳极限：是指在一定循环特征下，材料或结构可以承受无限

8、次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。第一节机械疲劳设计2、疲劳曲线（S—N曲线）在交变载荷作用下，零件承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，用疲劳曲线来表示。材料的疲劳强度：在一组标准试件上施加不同载荷F，使试件承受应力比r为某值，最大应力为σmax的交变应力作用，将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录