长安大学机械设计

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1、§3-1材料的疲劳特性§3-2机械零件的疲劳强度计算§3-3机械零件的抗断裂强度第三章机械零件的强度§3-4机械零件的接触强度学习要求了解疲劳曲线和极限应力曲线的意义和用途，能从材料的几个基本机械性能（σbσsσ-1σ0）及零件的几何特性，绘制零件的极限应力简化线图极限应力线图重点掌握双向变应力时的零件强度校核方法单、双向变应力时零件疲劳强度计算方法掌握单向变应力时的零件强度计算方法，了解应力等效转换的概念了解疲劳损伤累计假设（Miner法则）的意义及应用方法会查用本章附录中的有关线图和图表疲劳损伤累计假设

2、（Miner法则）1.载荷分类一、机械零件上作用的载荷和应力分类静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢机械设计计算中的载荷：名义载荷——理想平稳工作条件下作用在零件上的载荷计算载荷——载荷系数与名义载荷的乘积，在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷作用，通常引入载荷系数K，有时只考虑工作情况的影响，则用工作情况系数KA来考虑估计这些因素的影响动载荷：大小、作用位置或方向随时间变化，如曲柄压力机的曲轴和汽车悬架弹簧等所受的载荷2.应力分类静应力——不随时间变化或变化缓慢变应力——随时间变化静应力只

3、能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生aσ0tt0σaσt二、机械零件的失效形式1.断裂过载断裂疲劳断裂2.变形塑性变形残余变形挠曲变形3.表面破坏磨损腐蚀接触疲劳4.正常工作条件被破坏低应力下的脆断三、疲劳破坏机械零件在循环应力作用下。即使循环应力，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为“疲劳破坏”。1.疲劳断裂特征1）疲劳断裂时：受到的低于甚至低

4、于2）断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑性材料，均表现为脆性断裂——更具突然性，更危险3）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间，寿命可计算4）疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹“疲劳破坏”——循环应力作用下零件的主要失效形式2.循环应力分类σt0σt0tσ0规律性变幅循环应力随机循环应力循环应力分为恒幅循环应力变幅循环应力对称循环应力脉动循环应力非对称循环应力3.材料的疲劳极限在应力比为的循环应力作用下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力

5、4.疲劳寿命N材料疲劳失效前所经历的应力循环次数不同或N不同时，疲劳极限则不同在疲劳强度计算中，取＝材料的疲劳特性一、σ-N疲劳曲线疲劳曲线是在应力比一定时，表示疲劳极限与循环次数N之间关系的曲线s－N疲劳曲线典型的疲劳曲线如图所示随N的增大而减小，但是当N超过某一循环次数N0时，曲线趋于水平，即不再随N的增大而减小N0——循环基数以N0为界，曲线分为两个区：材料的疲劳特性1）无限寿命区s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区当N≥N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用σr表示，它是表征材料疲劳强度

6、的重要指标，是疲劳设计的基本依据2）有限寿命区非水平段（N＜N0）的疲劳极限称为条件疲劳极限，用σrN表示，当材料受到的工作应力超过σr时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环——寿命是有限的当材料受到的应力不超过σr时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏——寿命是无限的材料的疲劳特性与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：无限寿命设计：N≥N0时的设计，取σlim＝σr有限寿命设计：N＜N0时的设计，取σlim＝σrN疲劳特性曲线疲劳区域划分：s－N疲劳曲线BC段：低周疲劳(应变疲劳)CD及D以后段：

7、高周疲劳材料的疲劳特性通过实验测定零件材料的疲劳特性曲线通常为σmax—N曲线s－N疲劳曲线材料的疲劳特性设计中常用的是疲劳曲线上的CD段，其方程为：D点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得：则式中：——寿命系数m—材料常数N0—循环基数——称为疲劳曲线方程s－N疲劳曲线材料的疲劳特性1）计算KN时，如N≥N0，则取N＝N02）工程中常用的是对称循环应力（r=-1）下的疲劳极限，计算时，只须把σr和σrN换成σ-1和σ-1N即可注意：3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的σ换成τ即可4）当N＜（103～1

8、04）时，因N较小，可按静强度计算材料的疲劳特性s－N疲劳曲线5）材料常数m6）循环基数N0→ND（106～25×107）M、P：m=6～20N0=（1～10）106M：m=9N0=5×106（小尺寸）N0=107（大尺寸）材料的疲劳特性二、σa—σm疲劳曲线（等寿命曲线）等寿命曲线等寿命曲线是平均应力m（横坐标）与应力幅a（纵坐标）之间的关系曲线（由实验数据获得），反映相同材料在不同应力循环特性时疲劳极限的