《机械抗疲劳设计》PPT课件

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1、机械抗疲劳设计（一）金属被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳，而且一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。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。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。人类付出昂贵的代价才获得了对材料疲劳的认识。二次大战后，英

2、国的德-哈维兰飞机公司设计制造了彗星号民用喷气飞机，经过一年使用，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，终于确认罪魁祸首是座舱的疲劳裂纹。1998年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。什么是金属材料的

3、疲劳？零件在受到超强作用力时可以发生变形或断裂，但这不是疲劳破坏。疲劳失效是指材料在正常工作情况下，在长期反复作用的应力下所发生的性能变化。这些应力的大小并没有超出材料能够承受的范围，但是长期反复的作用就会引起材料的疲劳。材料的疲劳破坏并不是一开始就会被察觉的，它是一个缓慢的发展过程。例如一条发动机曲轴可以在投入运行时间不太长的时候就产生很小的疲劳裂纹，这些肉眼看不出来的裂纹会不断扩大，直到曲轴忽然断裂。就像人由于长期工作积累的疲劳而一朝病倒。金属疲劳是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的

4、裂纹。在交变应力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。现代的机械设计已经广泛采用“疲劳寿命”方法，设计阶段已经充分考虑了材料的疲劳问题。但是，正如人体的疲劳因人而异，机器的疲劳是因机而异的。同一种型号的汽车，发生疲劳破坏的情况可能相差很远。有的到了报废的年限，疲劳程度还不太严重；有的尚在寿命期限内，却发生了疲劳破坏。在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术

5、的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需

6、要。第一节概述一疲劳破坏的概念1.疲劳破坏材料在交变应力的作用下，局部造成永久性的形变，从而产生裂纹并扩展最终导致断裂的现象。2.疲劳破坏的典型断口形貌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)粗糙区轴3.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方向扩展第二阶段垂直于拉应力轴方向扩展4.疲劳破坏的必要条件----------疲劳三要素（1）循环变应

7、力：------促使裂纹形成。（2）拉应力：------使裂纹扩展。（3）塑性变形：------促使裂纹形成并扩展。二应力的类型和参数应力稳定循环变应力变应力不稳定循环变应力随机变应力静应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力1.应力的分类：σ=常数σtσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin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OσtOtσOσtO2.应力的描述------应力谱（载荷谱）3.应力的参数：循环特征：——表示应力变化的情况平均应力：应力幅：σmσmaxσaσmintσO3