第三章 机械零件的强度

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1、第三章机械零件的强度本章基本要求了解疲劳曲线和极限应力曲线的来源、意义及用途，能从材料的几个基本特性及零件的几何特性绘制零件的极限应力简化曲线图；会求零件的极限应力。学会单向稳定变应力时机械零件的强度计算方法；学会双向变应力时机械零件的强度校核方法；会查附录中的有关图表。一.基本概念1.载荷：静载荷、变载荷1）名义载荷(理论载荷)：Fn、M、T、P2）实际载荷(考虑实际因素的载荷)：2.应力：静应力、变应力§3-1机械零件强度计算概述3）计算载荷(强度计算时所采用的载荷)：注意：计算载荷比名义载荷更接近于实际载荷。1）工作应力：按计算载荷计

2、算的作用在零件上的应力，2）计算应力：复杂应力状态时，按强度理论求出的应力，ca3）极限应力：lim(静应力下，极限应力为定值：S或B；变应力下，极限应力是变值）4）许用应力：二.机械零件的强度方法1.设计计算：2.校核计算：1）应力校核计算：2）安全系数校核计算：三.变应力——应力随时间而变化2.循环变应力（周期变化）1.非循环变应力（非周期变化）符合统计规律稳定循环变应力（等幅变应力）非稳定循环变应力（变幅变应力）非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力2.循环变应力周期变化1.非循环变应力（非周期变化）符合统计规律稳定循

3、环变应力（等幅变应力）非稳定循环变应力（变幅变应力）非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力Ots一个循环OstσmσmaxσaσmintσO3.应力的描述——应力谱（载荷谱）1）最大应力：max2）最小应力：min3）平均应力：m4）应力幅值：a应力的参数：5）循环特性：r——表示应力变化的情况对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力静应力σtσmaxσminσaOσmσmaxσaσtOσmσmaxσaσmintσOσ=常数σtO循环变应力的类型及特性：变应力关系：注意：1）变应力是由变载荷产生的，也可能是由静载荷产生的。

4、2）在变应力作用下，零件产生的是疲劳破坏。四.变应力作用下机械零件的失效形式——金属疲劳简介1.概念零件在交变应力作用下，局部产生的永久性形变，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象，称为疲劳破坏。2.历史1839年巴黎大学教授庞赛洛特（PanceletJU）在讲课中首先使用了金属疲劳的概念。19世纪中期，随着铁路运输的发展，断轴的事故常有发生，引起人们对疲劳破坏现象的研究兴趣。当时沃勒（WohlerA）首先在旋转弯曲疲劳试验机上进行开创性的试验研究，提出了应力一寿命图和疲劳极限的概念。为纪念他对疲劳强度研究工作所

5、做的杰出贡献，人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线（即s—N曲线）称为沃勒曲线，尽管在他当时的研究工作中并没有使用这种曲线。其后，盖帕尔（Gerber）和古德曼（Goodman）分别研究了平均应力对寿命的影响，后者还提出了考虑平均应力影响的简单理论。3.典型事故1953年5月2日一架彗星号客机从印度加尔各答机场起飞后不久在半空中解体；1954年1月10日，另一架彗星号在地中海上空爆炸；不到3个月，又一架彗星号在罗马起飞后在空中爆炸。为了找到事故的原因，英国皇家航空研究院的工程师进行了大量的研究工作，终于确认是座舱的疲劳裂纹所致。1998年

6、6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。2002年5月25日，台湾中华航空611号班机（波音747-200）由中正国际机场飞往香港国际机场，在半途中于澎湖上空约1万米高空处解体坠毁，造成机上人员（206名乘客及19名机组人员）全部遇难。该飞机飞行时数64,810小时，曾因重落地损伤到机尾蒙皮，仅简单修补该处，造成该地方累积了金属疲劳的现象。1988年4月28日，美国来往夏威

7、夷和檀香山的波音737-200型客机——阿罗哈航空243号班机，在飞行途中发生瞬间失压事故，造成飞机严重损毁。事故是由裂缝生锈导致金属疲劳引起，裂痕的位置位于登机门附近，此裂痕很即为飞机经过超过89,000次飞行所造成的金属疲劳。人类付出昂贵的代价才获得了对金属疲劳的认识。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。5.疲劳破坏断裂面特征4.疲劳破坏的过程应力集中处产生初始裂纹裂纹扩展瞬时断裂循环应力作用夹杂物和基体界面开裂（多相金属）滑移带开裂（纯金属或单相合金）晶界开裂（高温下）第一阶段与拉应力轴成45o方向扩

8、展第二阶段垂直于拉应力轴方向扩展疲劳断口裂纹扩展区瞬时断裂区由于裂纹断口的反复摩擦导致断口较光滑剩余承载面积不足产生沿晶界界面瞬时断裂，断裂截面较粗糙初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区