机械设计学7.ppt

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1、第七章机械产品设计中的几个主要技术问题第一节机械疲劳设计一、疲劳破坏的机制和特点1、概念1）疲劳：材料或零件在循环应力和应变作用下，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。2）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。3）疲劳失效：在交变应力与交变应变的作用下．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；4）疲劳强度：试件抵抗疲劳失

2、效的能力称之为材料的疲劳强度。衡量材料或结构疲劳强度大小的指标之一是“疲劳强度极限”，简称“疲劳极限”。2、疲劳破坏机理疲劳破坏一般可分为三个阶段：(1)疲劳裂纹萌生由局部塑件应变集中引起，有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；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

3、图7—2示。(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。(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

4、坏。疲劳破坏的断口如图7—2。3、疲劳破坏有如下特点：1）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极限σb低，甚至比材料的屈服极限σs低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。2）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。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）在疲劳破坏的宏观断口上，

5、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。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。二、载荷类型掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件，按照交变应力的特征，可分为：对称循环、脉动循环、不对称循环(应力比

6、r)。三、疲劳曲线、疲劳极限1．疲劳曲线（S—N曲线）材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，以N表示。一般情况下，材料的强度极限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长；反之，疲劳寿命愈短。S一N曲线：表示外加应力水平和标推试样疲劳寿命之关系的曲线，称为材料的S一N曲线。图7—4表示典型的S一N曲线。图中曲线有一水平部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限，用σ-1表示。结构钢的S一N曲线都有一水平的渐近线，其纵坐标就是其疲劳极限σ-1。在一组标准试件上施加不同载

7、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，并记录循环次数N。如将S—N曲线的纵坐标和横坐标都取成对数，则S一N曲线就成为一条斜直线和一条水平线组成的折线。如图7-5所示。图中斜直线的方程为：式中m和c是材料常数，与材料性质，试样形式和加载方式有关。两条直线的交点N0称为循环基数。钢的N0约为107。两直线交点的纵坐标就是疲劳极限σ-1。2.疲劳极限的经验公式当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度机械性能来近似计算、表7—l中列出材料的疲劳极限与静强度的关系。

8、3.疲劳极限图(疲劳图)在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳极限σr，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。常用的疲劳曲线图有两种、即海夫因和史密斯图，这里重点介绍海夫因。把不同的应力比r下试验得到的疲劳极限，画在一张图上，该图叫疲劳极限图四、影响疲劳强度的因素影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为四个方面：一是材料