机械零件的强度ppt课件.ppt

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1、第三章机械零件的疲劳强度设计§3-1概述§3-2疲劳曲线和极限应力图§3-3影响零件疲劳强度的主要因素§3-4双向稳定变应力时零件的疲劳强度§3-5单向不稳定变应力时零件的疲劳强度疲劳的基本概念生活经验用力拉一根铁丝很难拉断，反复地弯这根铁丝却能将它折断。疲劳（fatigue）是由应力不断变化引起的材料逐渐破坏的现象。疲劳的基本概念美国材料试验协会（AmericanSocietyforTestingMaterials,ASTM）将疲劳定义为“材料某一点或某一些点在承受交变应力和应变条件下，使材料产生局部的永久性的逐步发展的

2、结构性变化过程。在足够多的交变次数后，它可能造成裂纹的积累或材料完全断裂”。为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属表面和内部结构并不均匀，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裂纹。在力的持续作用下，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。为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？位错也会产生微裂纹对于塑性材料，当材料即使是经受比屈服极限低得多的交变应力作用时，材料内部也会激发位错滑移（dislocatio

3、nslip）。在一次加载时，这一塑性应变的量非常小，不会有什么影响。然而，在许多次的应力循环下，在这滑移面附近会逐渐产生硬化(workhardening)。塑性应变逐渐积累，结果产生微裂缝。这些裂缝数量逐渐增加，并扩展，最终达到临界大小，引起材料断裂。疲劳破坏的特征1，破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强度极限，甚至低于材料的屈服极限。2，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破坏都呈脆性断裂的特征，破坏前无明显的塑性变形，破坏突然发生，所以有很大的危险性。3，从断口的形貌来看先在构件的高应力区的表面缺陷处形成疲劳源随着应力循环次

4、数的增加，裂纹逐渐扩展，在这一过程中，由于裂纹两侧表面的研磨，写成了光滑区。随着裂纹扩展，构件的截面逐渐削弱，直至不能承担载荷而突然断裂，形成断口上的粗糙区。4二、应力的分类：变应力：随时间变化tt静应力：不随时间变化或变化缓慢t2变应力的描述sm─平均应力；smax─最大应力；smin─最小应力r─应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有2个参数是独立的。sa─应力幅t1、非对称循环2、对称循环t3、脉动循环4、静应力5、规律性非稳定变应力6、随机变应力0tamminmax0t

5、ammax0ta=maxminγ=–1对称循环γ=0脉动循环-1<γ<+1不对称循环载荷和应力的分类材料的疲劳特性稳定循环变应力的基本参数共有５个基本参数，知其２就能求其他5.应力循环特性1.最大应力2.最小应力3.平均应力4.应力幅载荷和应力的分类材料的疲劳特性专家们展开调查，他们从现场找到穿入车体的一块破损的车轮钢圈。经过研究，这块钢圈正是悲剧的罪魁祸首! 原来，在高铁开通之时，884号列车所用的车轮都是单层的，也就是用一块完整的钢材做成的，但是德国铁路很快发现，这种单层的车轮有其不完美的地方，那就是列车

6、开动时，车轮会向内产生摩擦，继而产生很大的噪声，影响到车内的乘客。要改变这种状况，办法有两个：一个是更换铁轨或者列车，另一个则是改进车轮。显然，前者不切实际，后者则相对容易和省钱。德国铁路决定实施后者。1992年8月31日，德国铁路启用改进后的064型双层车轮。与之前相比，064型车轮在原先的单层车轮外面再包上一个车轮，同时在两者之间用橡胶垫压。果然，换上双层车轮后，摩擦和噪声都没有了。直到事故发生前，双层车轮没有发生过任何问题，这让德国铁路自信满满。然而，他们却忽略了一个问题，那就是由于承载着很大的压力，双层车轮的金属会

7、因为互相之间的挤压和自动伸缩产生疲劳。这种反复的挤压和伸缩会造成钢材的逐步老化直至最终的断裂，这就如同两根曲折针来来回回互相折，最终会断裂是一个道理。德国高铁事故，双层车轮减少震动却引发疲劳破坏受拉受压典型的疲劳曲线如右图所示：可以看出：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：1）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，用表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。s－N疲劳曲线有

8、限寿命区无限寿命区CDs－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区CD低周疲劳高周疲劳s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区CD低周疲劳高周疲劳s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区CD按每分钟100转计算，107转需要104分钟折算为2个月说明ND（N0）NNCCDNσmaxσrNσrσr∞r=-1r=0r=0·4r=