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本科生毕业论文（设计）
题目：浅谈机械零件的疲劳强度
学习中心：
层次：专科起点本科
专业：机械设计制造及其自动化
年级：年季
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指导教师：
完成日期：年月日
内容摘要
本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。
关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性
目录
引言
通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。
1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。
自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。
1867年，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与联系起来，提出了的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规。1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论。1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。
在常规疲劳强度设计中，有（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。
1 变应力的分类
变应力可分为随机变应力和循环变应力两大类，其中循环变应力又称为周期变应力，它可分为稳定循环变应力和不稳定循环变应力，稳定循环变应力又有简单与复合之分。如图1-1所示。
图1-1 变应力的分类
随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力。如图1-2所示。
图1-2 稳定循环变应力
若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图1-3所示，则称为不稳定循环变应力。
图1-3不稳定循环变应力
如果变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图1-4。
图1-4 随机变应力
2 变应力参数
图2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。
图2 稳定循环变应力
零件受周期性的最大应力σmax及最小应力σmin作用，其应力幅为σa，平均应力为σm，它们之间的关系为。
其中：σmax为变应力最大值，σmin为变应力最小值，σm为平均应力，σa 为应力幅，r为循环特性(或称变应力不对称系数) ，表示变应力的变化性质。
上列各式中的σmax和σmin指应力绝对值的最大和最小，但代入公式中时，应带有本身正负号。
图2b所示变应力，平均应力σm＝0，而σmax＝-σmin，因此，r＝-1，这类应力称为对称循环变应力。
图2d所示变应力，σmin＝0，σa＝σm，而σmax＝2σa＝2σm。此时，r＝0，这类应力称为脉动循环变应力。
当σmax与σmin接近或相等时，σa接近或等于零，此时循环特征r＝+1，
这类应力称为静应力。
除去对称和脉动循环变应力以及静应力外，其他类型的变应力称为非对称循环变应力(图2c)。
下面举例计算，如已知σmax为200N/mm2， r为-0.5，
那么σmin、σa、σm应该为：
3 疲劳曲线
变应力的循环特征r，应力幅σa和循环次数N对零件的疲劳强度都有影响。零件在同一最大应力水平时，r值越大，或σa越小，或N越少，它的疲劳强度越高。
疲劳曲线是应力循环次数N与疲劳极限的关系曲线。
线性坐标上的疲劳曲线对数坐标上的疲劳曲线
图3-1疲劳曲线
曲线上各点表示在相应的循环次数下，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。从图上可以看出，应力越高，则产生疲劳失效的循环次数越少。
在作材料试验的时候，常取一规定的应力循环次数N0，称为循环基数，把相应于这一循环次数的疲劳极限，称为材料的持久疲劳极限，记为σ-1。
疲劳曲线可分为两个区域：有限寿命区和无限寿命区。所谓的无限寿命，是指零件承受的变应力水平低于或者等于材料的疲劳极限σ-1，工作应力总循环次数可大于N0，零件将永远不会产生破坏。
在有限寿命区的疲劳曲线上，N 对低碳钢而言，循环基数N0=106—107； 对合金钢及有色金属，循环基数N0=108。 变应力σ与在此应力作用下断裂时的循环次数N之间有下列关系： 4 影响疲劳强度的因素 影响疲劳强度的因素主要有如下几个方面： 4.1应力集中的影响 前边提到的各疲劳极限，实际上是材料的力学性能指标，是用试件通过试验测出的。 现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。了解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。 首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，应力即受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。公式记为σ=F/S (其中，σ表示应力；F 表示施加的力；S表示受力面积)。材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。即使材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏也可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。 然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实。 如图4-1【a】所示的带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。由试验结果可知：在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这个区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀（图4-1【b】）。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。在Ⅰ-Ⅰ截面上，孔边最大应力σmax与同一截面上的平α表示为 均应力σ之比，用 τ α称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数，τ 而且试验结果还表明：截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆角过渡。 在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样 的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图4-2所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。 下面，就应力集中造成构件断裂，产生疲劳，举几个实例。 1、日本航空123号班机空难事件，发生于1985年8月12日，班机是波 音747-100SR型，飞机编号JA8119。搭载509名乘客及15名机组员，从日本东京的羽田机场，预定飞往大阪伊丹机场。在御巢鹰山区附近的高天原山（距离东京约100公里）坠毁，520人罹难。此次空难事件也是世界上牵涉到单一架次飞机的空难中，死伤最惨重的。事故原因：日本官方的航空与铁道事故调查委员会，经过调查后，做出三点结论。1）1978年6月2日，该飞机在大阪的伊丹机场曾损伤到机尾；2）机尾受损后，波音公司没有妥善修补，正常需要二排铆钉，但维修人员只是将损伤的部分补了一排铆钉，所以增加了接合点附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象；3）该处的压力壁在损坏后，造成四组液压系统故障（液压油泄漏），导致机师无法正常操控飞机。 2、2004年日本美浜核电站事故。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。美浜核电站座落于东京西部大约320公里的福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有关的小事故。2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备进行例行安全检查时突然爆裂。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死亡。事故原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。 3、1998年德国ICE城际列车脱轨事件。1998年6月3日，由慕尼黑开往汉 保的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。该列车由两辆机车和12辆拖车组成，事故发生后12辆拖车全部脱轨。截止到6月17日，已有100人死亡，88人重伤。6月17日，联邦铁路局局长在德国听证会上公布了对事故发生过程的初步调查结果：在列车运行距公路跨线桥约6公里时，第一节拖车的3轮对的轮箍发生破裂，列车继续以200公里/小时的速度运行，轮箍断裂并拥塞在高速动轮的轮对中，剧烈的摩擦发出刺耳的轰隆声，在距公路桥约300公里处，已断裂的轮箍勾住了埃舍德车站的一组道岔，使拖车挑起、脱轨并与机车脱钩，脱轨的车轮则落在相邻的线路上，列车继续运行120米后，脱轨的车轮被邻线的另一组道岔改变了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞，使跨线桥部分坍塌坠落。驰过跨线桥的头部机车经紧急制动后运行约2公里停车，没有脱轨；与头车分离的第1-3节拖车脱轨后停在桥后约300米处；第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一起，尾部机车几乎未受损坏。 该列车车轮系橡胶弹性车轮，轮箍是轧制的无缝钢圈，通过热效应压在轮心上，轮心是铸钢轮体，轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留气泡或矿碴，在高压负荷动力作用下，就可能开裂；也可能是由于轮箍材料老化产生“疲劳断裂”所致。事故发生后，其余59列ICE 型列车中止运营，并进行了全面检查。44列ICE2列车的运营虽未受事故影响，但最高时速已降低到160公里。 以上例子都足以说明了应力集中引起构件疲劳、断裂，造成的危害是非常严重的，甚至影响着人们的生活安全。是个不容忽视的问题。 4.2尺寸与形状的影响 尺寸的影响：零件尺寸的大小对疲劳强度的影响可以用尺寸系数ετ来表示。当其他条件相同时，尺寸越大，对零件疲劳强度的影响越显著。原因是由于材料的晶粒较粗大，出现缺陷的概率大，同时机械加工后表面冷作硬化层（对疲劳强度有利）相对较薄。 零件受载时，在几何形状突然变化处，如圆角、孔、凹槽等，要产生应力集中，对应力集中敏感还与材料有关，常用有效应力集中系数τκ（()1q 1-+=ττακ，其中q 为材料对应力集中的敏感系数，τα为理论应力集中系数）来考虑应力集中对疲劳强度的影响。材料的强渡极限越高，对应力集中越 敏感。如果在同一个截面上同时有几个应立集中源时，应该采用其中最大有效应力集中系数进行计算。 4.3表面质量的影响 β来表示。铸铁对于加零件表面质量对疲劳强度的影响可以用表面状态系数 τ 工后的表面状态很不敏感，可以取１．钢的强度极限极高，表面越粗糙，表面状态系数越低，所以用高强度合金钢制造的零件，为了使疲劳强度有所提高，其表面应该有较高的加工质量。此外，还可以采取下列措施来改善表面状态，以提高零件的疲劳强度，如淬火、渗碳、渗氮等热处理工艺，抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。这些措施都都利于提高表面强度和产生残余应力。残余应力有降低平均拉应力和减少初始裂纹产生和扩展的作用。改善后的表面状态系数可能要大于１．一般计算仍然取１． 4.4表面强化的影响 表面强化技术其实质是一种改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能的工艺方法。表面强化有时还能提高耐腐蚀性能。承受载荷的零件表面常处于最大应力状态，并在不同的介质环境中工作。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如在零件表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织结构等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。表面强化可分为表面薄膜强化、表面形变强化、表面热处理强化、化学热处理强化和表面合金化。其中表面薄膜强化与表面形变强化在工业生产过程中应用最为广泛。 4.4其他因素的影响 抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。 在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力;而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力;铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量的增加而增加;任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲 劳抗力。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的疲劳性能。而非金属夹杂物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲劳抗力降低。因此，金属材料的组织不均匀性及其组织状态不良，材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料是造成疲劳断裂的重要原因。 环境因素(低温、高温及腐蚀介质等)的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。 一般来说，温度降低、疲劳强度升高;温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。 腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。 5 提高疲劳强度的解决措施 构件截面改变越激烈，应力集中系数就越大。因此工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中。如采用较大的过渡圆角半径，使截面的改变尽量缓慢，如果圆角半径太大而影响装配时，可采用间隔环。既降低了应力集中又不影响轴与轴承的装配。此外还可采用凹圆角或卸载槽以达到应力平缓过渡。 设计构件外形时，应尽量避免带有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然变化处（阶梯轴），当结构需要直角时，可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中；当轴与轮毂采用静配合时，可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径，并采用圆角过渡，从而可缩小轮毂与轴的刚度差距，减缓配合面边缘处的应力集中。提高 5.1提高构件表面质量 一般说，构件表层的应力都很大，例如在承受弯曲和扭转的构件中，其最大应力均发生在构件的表层。同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。特别是对高强度钢这类对应力集中比较敏感的材料，其加工更 需要精细。 5.2提高构件表面强度 常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。表面热处理通常采用高频淬火、渗碳、氰化、氮化等措施，以提高构件表层材料的抗疲劳强度能力。表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。 5.3豪克能技术 现在的产品转化体现为焊接应力消除设备以及表面光整设备，其中的这个技术可以给金属表面消除拉应力，预置压应力，使得金属容易开裂的部位应力释放，不会产生开裂的情况。 6 疲劳强度在各领域的应用以及前景展望 6.1 疲劳强度在机械零件中的应用 机械零件强度设计主要考虑两项内容：（1）机械零件尺寸的初步确定。（2）关键位置强度的确定。其中，确定机械零件初步尺寸时，需对静强度加以计算。而后校核计算机械零件截面或关键位置。要求其不能小于许用安全系数。另外，以上两项内容均满足要求后，嗨应考虑机械零件的使用寿命，结合机械零件的各项参数，估算机械零件寿命，以验证其是否满足相关规范标准要求。 机械零件常规疲劳设计时，要在排除零件初始裂纹的前提下，实施标准试样疲劳试验，以获得机械零件的疲劳极限图、S-N曲线以及零件材料的疲劳极限等相关内容。同时，综合分析零件形状产生的应力、表面状况、零件尺寸等，确定零件常规疲劳设计的方法。依据S-N曲线，可将机械零件常规疲劳设计分为有限寿命设计与无限寿命设计。其中，前者的设计主要参考S-N曲线中的斜线，后者则主要参考水平线。 有限寿命设计：部分领域的极限零件更新换代较快或属于一次性消耗产品。因此，要常对其进行有限寿命设计，并在满足设计并在的基础上，减轻其重量，尤其要将超过疲劳极限工作应力作为设计过程中重点考虑的内容。机械零件有限寿命设计主要基于迈因纳理论，即受给定应力水平反复作用，试样损伤程度与应 力循环次数之间呈现线性累计关系，当损伤累计达到临界点时破坏。 无限寿命设计：是指机械零件在无限长时间内不会因疲劳而发生破坏。根据S-N曲线，水平线段表示机械零件的疲劳寿命是无限的。因此，设计时只要将机械零件的工作应力控制在疲劳极限内，从理论上便可达到无限寿命目标。但是，按照这一理论设计机械零件，往往给零件尺寸及重量造成不良影响，如零件尺寸较大且过于笨重。但是，对于使用寿命较长的零件而言，尽可能延长其寿命，依据该理论仍较为有效。 6.2 疲劳强度在航空航天领域的应用 航空结构是本世纪20年代以后才出现的，早期主要考虑静强度是否足够，后来飞机性能不断提高，飞机结构日趋复杂，既要求重量轻，有要求寿命长、可靠性高，于是疲劳问题越来越突出了，单纯用满足飞机使用边界的静强度要求来设计飞机已无法满足要求。自50年代起，飞机飞机结构疲劳破坏更多地暴露出来，摔飞机的事故不断出现，如1954年英国彗星-1号客机连续两次在正常航班中坠毁，分析后发现在气密舱靠近导航天线伸出处的铆钉孔边有疲劳裂纹，于是英、美、法、澳等各国相继建造大型水槽，对有气密舱的客机进行全尺寸疲劳试验，大力加强飞机载荷谱的测试、编谱和飞机结构疲劳问题的研究。据不完全统计，至80年代初世界各国进行的飞机结构全尺寸疲劳试验已超过200架。我国也于1965年后开始设计建造了大型水槽，并对国产运输机及轰炸机做过机身及气密舱的全尺寸疲劳试验。其他主要机种结合定寿和延寿工作也进行过全尺寸疲劳试验。现在，试飞、全尺寸结构静力试验及全尺寸结构疲劳试验是飞机定型前必须完成的工作。为了解决飞机结构的疲劳强度问题，还需进行材料、元件、结构件、组合件或重要典型接头等各种疲劳试验研究。 影响疲劳强度的因素既多有复杂，这里仅结合飞机结构工程应用上的某些方面做一简要阐述。例如，上面提到的彗星-1号飞机的坠毁事故，实际上有一个当时未被发现和认识的问题，即高载迟滞效应问题，原因是在正式进行疲劳试验前曾在70~100kpa压力下先做过30次加载调试，而后于1953年9月对座舱试验段作57kpa压力的18000次疲劳试验。事实上，事先进行的加载次数不多的高压力有高载迟滞效应，提高了结构疲劳寿命。进一步研究发现残余应力对疲劳强度有重要影响（一般残余压应力有利，而残余压应力不利），航空上就设法利用有利的残余压应力，噴丸、挤压强化工艺等在航空上得到推广和应用。大量实验和观察 发现疲劳裂纹常常从表面发生，于是提高表面粗糙度，表面渗碳、渗氮等处理以及各种表面保护技术在航空工业中得到越来越多的应用。应力集中对疲劳强度的影响问题，人们较早已有认识，但是对应力集中影响较有系统地研究是20世纪以后才进行的，于是在设计中设法降低应力集中系数的细节设计被逐步重视。80年代初，《国外民用飞机设计手册》对飞机结构细节设计收集了大量实际例子，列出了可接受和不可接受的各种结构细节设计图样。 疲劳强度在航空工业中的应用较集中地反映在抗疲劳设计上。飞机结构的设计思想经历了重大变革，按历史发展过程来看有静强度、安全寿命、破损寿命、耐久性和损伤容限等各种不同设计方法，现正在发展以可靠性为基础的设计方法。 6.3前景展望 疲劳强度是已有一百多年的发展历史的科学。同时又是一门在不断研究、继续发展的学科。从结合在国民生产各个领域来考虑，今后若干年内应着重进行研究工作初步考虑如下一些方面。 1.进一步提高疲劳载荷测量及疲劳载荷编制工作质量。编制我国自己的机械标准谱及其简化谱。收集汇总我国各种机械的疲劳载荷实测数据，建立机械疲劳载荷数据库。 2. 从理论和应用上进一步开展随机振动下的疲劳强度研究，其中对某一领域的突出问题，如噪声环境谱及结构声疲劳研究等，有待建立试验研究基地并进一步开展研究。 3.积极开展复合材料疲劳强度研究。复合材料的破坏有其独特形式，而且复合材料板件又常是各向异性板，复合材料疲劳强度理论需要创新性研究，而我国在复合材料结构疲劳强度研究方面尚是薄弱环节。已有人预言，本世纪初期将会出现全复合材料结构的零件。 4.疲劳断裂中可靠性理论和设计准则研究，可靠性问题已经得到重视，也几乎在普遍开花，干涉模型已经由静到动，由一维到多维，由单因素到多因素。但可靠性理论和应用研究，应结合各领域的需要从数据库、计算模型、可靠性理论、结构系统可靠性设计，可靠性系数分配等等方面加强组织，有领导地进行。 5.加强疲劳强度的工程科学及其应用研究。在这方面有广阔的领域和发展前景，如了解疲劳破坏全过程，从宏观与微观相结合进行研究，建立合理的物理、数学模型，改进相应于疲劳损伤各阶段寿命的工程估算方法；加强短（或小）裂 纹阶段研究，为疲劳、断裂的合理联系搭桥，更好地进行结构全寿命研究；加强环境（如腐蚀、温度、噪声等）影响及环境谱编制研究；新的测试技术（如微小裂纹测量，动态裂纹监测）的发展研究；以及新材料、新工艺等对疲劳强度影响研究。 6. 注意并继续进行抗疲劳设计研究。注意结构细节设计及其疲劳强度定量指标的确定方面的研究。 7.编制与疲劳强度有关的各种标准、规范、手册、指南等。 8.开发并建立疲劳强度方面实用计算程序。在静力和振动等方面尚需交流、汇编、提高、统一格式和接口，建立详细实用说明书等，以便于工程应用。 9.结合飞机结构疲劳定寿、延寿工作，积极开展工程研究，及时总结经验，汇编专著。 结论 由于疲劳破坏的突然性、高度局限性及对各种内在和外在因素影响的敏感性，疲劳抗力指标不仅极易受各种因素影响，疲劳试验数据非常分散，而且一旦发生疲劳失效，常常造成灾难性事故。在设计过程中，仅靠目前大多数手册中材质不明、实验条件不清、单一的疲劳强度指标进行设计，使设计结果具有很大的盲目性和偶然性。提高疲劳抗力指标的准确性和可靠性，是正确进行疲劳设计的前提。由于疲劳抗力指标的上述特点，数据全面更新工作，需要投入大量的人力物力，做大量的实验，绝非个人和单位所能承受得了。建议国家科研机构花大力气、尽快组织力量更新资料和手册中疲劳极限指标。疲劳强度指标不仅应列出参与参与实验的数量和统计数据，而且应尽可能详细地提供试样的毛坯类型、终加工方法、形状尺寸、取样部位、取样手段、晶粒大小、组织状态、材质质量等，设计方法尽快采用可靠性设计，才能增加疲劳极限指标的可靠性，提高疲劳设计的准确性。 提高疲劳强度，抵抗疲劳失效，一方面需要在设计过程中正确的衡量、综合地考虑各种内在、外在因素的影响，另一方面靠在实践中积累经验。这是一项非常复杂的系统工程，有待于全体机械设计工作者的不懈努力。 参考文献 [1] 吴富民.疲劳强度在航空工业中的应用.[M].西北工业大学 [2] 濮良贵、纪名刚.机械设计[M].北京.西北工业大学机械原理及机械零件教研室，2011. [3]《材料力学Ⅰ》主编：刘鸿文出版社：高等教育出版社出版时间：2004-01第四版 [4]《材料力学Ⅱ》主编：刘鸿文出版社：高等教育出版社出版时间：2004-01 第四版 [5]《工程力学》作者：王彪出版社：中国科学技术大学出版社 [6]《设计中的应力集中系数》作者：R.E.彼德逊出版社：中国工业出版社出版时间：1965年05月北京第1版 此文档是由网络收集并进行重新排版整理.word可编辑版本！ 第一篇总论 第三章机械零件的强度 3-1 某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=180MPa，取循环基数N0=5?106，m=9，试求循环次数N分别为7000，2500，620000次是时的有限寿命弯曲疲劳极限。 3-2 已知材料的力学性能为σS=260MPa，σ-1=170MPa，ψσ=0.2,试绘制此材料的简化极限应力线图（参看图3-3中的A’D’G’C）。 3-3 一圆轴的轴肩尺寸为：D=72mm，d=62mm，r=3mm。材料为40CrNi，其强度极限σB=900MPa，屈服极限σS=750MPa，试计算轴肩的弯曲有效应力集中系数kσ。 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=54mm，d=45mm，r=3mm。如用题3-2中的材料，设其强度极限σB=420MPa，试绘制此零件的简化极限应力线图。 3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力σm=20MPa，应力幅σa=900MPa，试分别按：a）r=C；b）σm=C，求出该截面的计算安全系数S ca。 第二篇联接 第五章螺纹联接和螺旋传动 5-1 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应用。5-2 将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处？ 5-3 分析活塞式空气压缩机气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况，它的最大应力，最小应力如何得出？当气缸内的最高压力提高时，它的最大应力、最小应力将如何变化？ 5-4 图5-49所示的底板螺栓组联接受外力F∑的作用。外力F∑作用在包含x轴并垂直于底板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保证联接安全工作的必要条件有哪些？ 5-5 图5-50是由两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用4个螺栓与立柱相联接，托架所承受的最大载荷为20kN，载荷有较大的变动。试问：此螺栓联接采用普通螺栓联接还是铰制孔用螺栓联接为宜？为什么？ 5-6 已知一个托架的边板用6个螺栓与相邻的机架相联接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行、距离为250mm、大小为60kN的载荷作用。现有如图5-51所示的两种螺栓布置型式，设采用铰制孔用螺栓联接，试问哪一种布置型式所用的螺栓直径较小？为什么？ 第三章 机械零件的强度 § 3 – 1 材料的疲劳特性 一、交变应力的描述 静应力，变应力 max ─最大应力； min ─最小应力 m ─平均应力； a ─应力幅值 2 min max σσσ+= m 2 min max σσσ-= a max min σσ= r r ─应力比（循环特性） 【注意】 1）已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已知 max，r； 2） max， min指代数值； a为绝对值； 3）-1≤r ≤ +1； a=0，r =+1，为静应力 r = -1 对称循环应力r=0 脉动循环应力r=1静应力 二、疲劳曲线（σ-N曲线） 1.材料的疲劳极限：σr N 在一定应力比为г的循环变应力作用下，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σmax。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 σ－N疲劳曲线 г不同或N不同时，疲劳极限σrN不同。即σrN与r、N 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为σlim。 即σlim=σrN。通过实验可得，疲劳极限σrN与循环次数N之间关系的曲线，如上图所示。 AB段曲线：N<103，计算零件强度时按静强度计算。（σrN≈σs） BC段曲线：103 N D 与材料有关，有的相差很大，因此规定一个常数。 N 0?循环基数 当N >N D 时，σrN =σr ∞=σr （简记） 疲劳曲线以N 0为界分为两个区： 1）有限寿命区 把曲线CD 段上的疲劳极限σr 称为有限疲劳极限（条件～）。 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。即寿命是有限的。 【说明】 不同应力比г时的疲劳曲线具有相似的形状。但г↑，σrN ↑。 2）无限寿命区 当N >N 0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，——称为持久疲劳极限，用0rN σ表示 （简写为σr ）。在工程设计中，一般认为：当材料受到的应力不超过σr 时，则可以经受无限次的循环应力而不疲劳破坏——即寿命是 【关键字】教育 网络教育学院 本科生毕业论文（设计） 题目：浅谈机械零件的疲劳强度 学习中心： 层次：专科起点本科 专业：机械设计制造及其自动化 年级：年季 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：年月日 内容摘要 本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。 关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性 目录 引言 通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。 1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。 自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。 1867年，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与联系起来，提出了的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规。1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论。1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。 在常规疲劳强度设计中，有（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。 第三章 机械零件的强度 §3T 材料的疲劳特性 、交变应力的描述 静应力，变应力 max ——最大应力; 平均应力； max r ——应力比（循环特性） 【注意】 1） 已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已 max , r ； 2） max , min 指代数值；a 为绝对值； 3） -1 r + 1 ； a =0, r =+1 ,为静应力 min max min 2 r = -1对称循环应力 疲劳曲线（-N 曲线） 1.材料的疲劳极限：r N 在一定应力比为 r 的循环变应力作用下，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 max 。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为 lim 即lim = rN 。通过试验可得，疲劳极限 rN 与循环次数N 之 间关系的曲线，如上图所示 6 ( 6 A B \ /T 、 1 r 不同或N 不同时，疲劳极限rN 不同 。即rN 与r 、N —N 疲劳曲线 AB段曲线：N 103，计算零件强度时按静强度计算。 （rN s） BC段曲线：103N 104,零件的破坏为塑性破坏属于低周疲劳破坏。特点：应力高，寿命低。 CD段曲线：r N随N的增大而降低。但是当N超过某一次数时（图中N D），曲线趋于水平。即r N不再减小。 N D与材料有关，有的相差很大，因此规定一个常数。 当N N D时，rN= r = r （简记） 疲劳曲线以N o为界分为两个区: 1）有限寿命区 把曲线CD段上的疲劳极限r称为有限疲劳极限（条件?）。当材料受到的工作应力超过r时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。即寿命是有限的。 【说明】 机械零件的强度 Document number【AA80KGB-AA98YT-AAT8CB-2A6UT-A18GG】 沈阳工业大学备课用纸 第三章机械零件的强度 1.强度问题： 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。 （材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 2.疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试 验而发生的破坏。 3.疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部 的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。4.疲劳破坏的特征： 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 3)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。 4) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。 ?m─平均应力； ?a─应力幅值 ?max─最大应力； ?min─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， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1 对称循环 应力 r=0 脉动循环应 力 r=1 静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲劳（循环次数少） 区。N<104 。也称应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变形） M-材料常数 N 0-循环基数 沈阳工业大学备课用纸 ?－N 疲劳曲线 机械零件的强度. 第一篇总论 第三章机械零件的强度 3-1 某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ -1=180MPa，取循环基数N =5?106，m=9，试 求循环次数N分别为7000，2500，620000 次是时的有限寿命弯曲疲劳极限。 3-2 已知材料的力学性能为σS=260MPa，σ -1=170MPa，ψ σ=0.2,试绘制此材料的简化极 限应力线图（参看图3-3中的A’D’G’C）。3-3 一圆轴的轴肩尺寸为：D=72mm，d=62mm，r=3mm。材料为40CrNi，其强度极限σ B =900MPa，屈服极限σ S =750MPa，试计算轴 肩的弯曲有效应力集中系数k σ。 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=54mm，d=45mm，r=3mm。如用题3-2中的材料，设其强度极 限σ B =420MPa，试绘制此零件的简化极限应力线图。 3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力σ m =20MPa，应力幅σ a =900MPa，试分别按：a） r=C；b）σ m =C，求出该截面的计算安全系 数S ca 。 第二篇联接 第五章螺纹联接和螺旋传动 5-1 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应 用。 5-2 将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处？ 5-3 分析活塞式空气压缩机气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况，它的最大应力， 最小应力如何得出？当气缸内的最高压力 提高时，它的最大应力、最小应力将如何 变化？ 5-4 图5-49所示的底板螺栓组联接受外力F∑的作用。外力F∑作用在包含x轴并垂直于底 板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的 受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保 证联接安全工作的必要条件有哪些？ 第三章 机械零件的强度计算 第0节 强度计算中的基本定义 一． 载荷 1. 按载荷性质分类： 1) 静载荷：大小方向不随时间变化或变化缓 慢的载荷。 2) 变载荷：大小和（或）方向随时间变化的 载荷。 2. 按使用情况分： 1) 公称载荷（名义载荷）： 按原动机或工作机的额定功率计算出的载荷。 2) 计算载荷：设计零件时所用到的载荷。 计算载荷与公称载荷的关系： F ca =kF n M ca =kM n T ca =kT n 3) 载荷系数：设计计算时，将额定载荷放大 的系数。 由原动机、工作机等条件确定。 二． 应力 2．按强度计算使用分 1) 工作应力：由计算载荷按力学公式求得的应力。 2) 计算应力：由强度理论求得的应力。 3) 极限应力：根据强度准则 、材料性质和 应力种类所选择的机械性能极限值σlim 。 4) 许用应力：等效应力允许达到的最大值。[σ]= σlim /[s σ] 稳定变应力 非稳定变应力 对称循环变应力 脉动应力 规律性非稳定变应力 随机性非稳定变应力 静应力 对称循环变应力 脉动应力 σ周期变应力 第1节 材料的疲劳特性 一． 疲劳曲线 1． 疲劳曲线 给定循环特征γ=σlim /σmax ，表示应力循 环次数N 与疲劳极限σγ的关系曲线称为疲 劳曲线（或σ-N ）。 2． 疲劳曲线方程 1) 方程中参数说明 a) 低硬度≤350HB ，N 0=107 高硬度>350HB ，N 0=25×107 b) 指数m ： c) 不同γ，σ-N 不同；γ越大，σ也越大。… 二、 限应力线图 1) 定义：同一材料，对于不同的循环特征进行试验， 求得疲劳极限，并将其绘在σm -σa 坐标系上，所得的曲线称为极限应力线图。 C N N m m N ==0γγσσr N N k m N N σσσγγ==0 m N N k N 0=整理： 即： 其中： N 0--循环基数 σγ--N 0时的疲劳极限 k N --寿命系数 用线性坐标表示的 疲劳曲线 N D 第三章 机械零件的强度 § 3 – 1 材料的疲劳特性 一、交变应力的描述 静应力，变应力 max ─最大应力； min ─最小应力 m ─平均应力； a ─应力幅值 2 min max σσσ+= m 2 min max σσσ-= a max min σσ= r r ─应力比（循环特性） 【注意】 1）已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已 知 max ，r ； 2） max ， min 指代数值； a 为绝对值； 3）-1≤ r ≤ +1； a =0，r =+1，为静应力 r = -1 对称循环应力 r =0 脉动循环应力 r =1 静应力 σ－N 疲劳曲线 二、 疲劳曲线（σ-N 曲线） 1.材料的疲劳极限：σr N 在一定应力比为г的循环变应力作用下，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σmax 。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 г不同或N 不同时，疲劳极限σrN 不同。即σrN 与r 、N 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为σlim 。 即σlim =σrN 。通过试验可得，疲劳极限σrN 与循环次数N 之间关系的曲线，如上图所示。 AB段曲线：N<103，计算零件强度时按静强度计算。（σrN≈σs） BC段曲线：103 机械零件的强度 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】 沈阳工业大学备课用纸 第三章机械零件的强度 1.强度问题： 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。 （材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 2.疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试 验而发生的破坏。 3.疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部 的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。4.疲劳破坏的特征： 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 3)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。 4) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。 m─平均应力；a─应力幅值 max─最大应力；min─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， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1对称循环应r=0脉动循环应r=1静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲劳（循环次数少）区。N<104。也称应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变形） M-材料常数 N 0-循环基数 沈阳工业大学备课用纸 －N 疲劳曲线 第三章 机械零件的强度 1.何谓静应力、变应力？静载荷能否产生变应力？作用在机械零件中的应力有哪几种类型？ 2. 何谓材料的疲劳极限、疲劳曲线？指出疲劳曲线的有限寿命区和无限寿命区，并写出有限寿命区疲劳曲线方程，材料试件的有限寿命疲劳极限σrN 如何计算？说明寿命系数K N 的意义。 3. 影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？零件的简化极限应力图与材料试件的简化极限应力图一样吗？有何不同？ 4. 举例说明哪些零件工作应力的变化规律符合：a) r =常数；b) σm =常数；c) σmin =常数。 5. 两个零件以点、线接触时应按何种强度进行计算？若为面接触时（如平键联接），又应按何种强度进行计算？零件的截面形状一定，当截面尺寸增大时，其疲劳极限值将如何变化？ 6. 表面接触疲劳点蚀是如何产生的？根据赫兹公式（Hertz ），接触带上的最大接触应力应如何计算？说明赫兹公式中各参数的含义。 7. 某机械零件，疲劳极限1285MPa σ-=，若其7010=N ，m =6，当应力循环次数分别为41105.2?=N ，5 2102?=N 时，求寿命系数N K 各为多少？疲劳极限又各为多少？ 8. 有一机械零件，其1390MPa σ-=，0600MPa σ=，600MPa s σ=，σ 2.5K =，求：(1)材料常数σψ； (2)画出零件的极限应力线图； (3)设工作应力为a 200MPa σ=，m 300MPa σ=，r ＝常数，试求安全系数ca S 。 9. 某合金钢制造的零件，其材料性能为：s 800MPa σ=,1450MPa σ-=,σ0.3ψ=。已知工作应力为min 80MPa σ=-，max 280MPa σ=，应力变化规律为r =常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数σ 1.62K =。若许用安全系数是 [S ] =1.3，并按无限寿命考虑，试校核该零件是否安全。 10. 有一钢制转轴，其危险截面上对称循环弯曲应力在单位时间t 内的变化如题10图.所示，总工作时间300h ，转速n 为150r/min 。若零件材料的疲劳极限1280MPa σ-=，应力集中系数σ2K =，7010=N ，m ＝9，求此零件的安全系数ca S 。 第3章 机械零件的疲劳强度 基本要求： １.了解疲劳曲线及极限应力曲线的来源、意义及用途，能从材料的几个基本机械性能（01,,,σσσσ-s B ）及零件的几何特性，绘制零件的极限应力简化线图。 ２.理解疲劳极限应力图的来源及意义， ３ 影响机械零件疲劳强度的主要因素，会查用附录中的有关线图及数表。 4. 会用公式计算稳定变应力时的安全系数。 * 重点：机械零件疲劳强度计算 # 难点：非稳定变应力时的安全系数的计算 计算准则： 1．安全－寿命设计： 在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。 2．破损－安全设计： 允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠的工作。 3．1 疲劳断裂特征 变应力下，零件的强度失效形式：疲劳断裂。 疲劳断裂过程：1) 疲劳源的产生；2）微裂纹的扩展直至断裂。 疲劳断裂截面： 疲劳断裂有何特征： 1）断口处无明显塑性变形 2）断裂时，最大应力远低于材料的强度极限，甚至比材料的屈服极限还低； 3）疲劳断裂是疲劳损伤的积累，初期零件表层形成微裂纹，随N 的增大裂纹扩展，扩展到断截面不足承受外载，发生断裂。 故变应力下，零件的极限应力既不能取材料的强度极限也不能取屈服极限。应取疲劳极限。 影响疲劳断裂的主要因素：应力σ和应力循环次数N 。(疲劳曲线σ—N 曲线） 3．2 疲劳曲线和疲劳极限应力图 3.2.1 疲劳曲线 1．概念： 1) 疲劳极限（rN σ或rN τ）：循环特性为r 的变应力，经过N 次循环后， 材料不发生破坏的应力最大值。 2) 疲劳曲线（)N N --τσ或：表示循环次数N 与疲劳极限间关系的关系曲线。 2．典型的疲劳曲线，如图3.2（以N -σ为例） （1）有限寿命区)(0N N < 低周循环疲劳区：)10(1043 网络教育学院 本科生毕业论文（设计） 题目：浅谈机械零件的疲劳强度 学习中心： 层次：专科起点本科 专业：机械设计制造及其自动化 年级：年季 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：年月日 内容摘要 本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。 关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性 目录 内容摘要................................................................................................................ I 引言 (1) 1 变应力的分类 (2) 2 变应力参数 (3) 3 疲劳曲线 (4) 4 影响疲劳强度的因素 (5) 4.1应力集中的影响 (5) 4.2尺寸与形状的影响 (9) 4.3表面质量的影响 (9) 4.4表面强化的影响 (9) 4.4其他因素的影响 (10) 5 提高疲劳强度的解决措施 (11) 5.1提高构件表面质量 (11) 5.2提高构件表面强度 (11) 5.3豪克能技术 (11) 6 疲劳强度在各领域的应用以及前景展望 (12) 6.1 疲劳强度在机械零件中的应用 (12) 6.2 疲劳强度在航空航天领域的应用 (12) 6.3前景展望 (13) 结论 (15) 参考文献 (16) 引言 通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。 1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。 自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的涡轮机和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。 1867年，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计。1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论。1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。 在常规疲劳强度设计中，有无限寿命设计（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和有限寿命设计（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。 机械零件的强度 一 名词解释 (1) 静应力：大小和方向不随转移而产生变化或变化较缓慢的应力，其作用下零件可能产生静断裂或过大的塑性变形，即应按静强度进行计算。 (2) 变应力：大小和方向均可能随时间转移产生变化者，它可以是由变载荷引起的，也可能因静载荷产生(如电动机重量给梁带来的弯曲应力)变应力作用的零件主要发生疲劳失效。 (3) 工作应力：用计算载荷按材料力学基本公式求得作用在零件剖面上的内力:F c p ,,σσσ ,T ,ττ等。 (4) 计算应力：根据零件危险断面的复杂应力状态，按适当的强度理论确定的，有相当破坏作用的应力。 (5) 极限应力：根据材料性质及应力种类用试件试验得到的机械性能失效时应力极限值，常分为用光滑试件进行试验得到的材料极限应力及用零件试验得到的零件的极限应力。 (6) 许用应力：设计零件时，按相应强度准则、计算应力允许达到的最大值ca S σσσ>=]/[][lim 。 (7) 计算安全系数：零件 (材料)的极限应力与计算应力的比值ca ca S σσ/lim =，以衡量安全程度。 (8) 安全系数许用值：根据零件重要程度及计算方法精确度给出设计零件安全程度的许用范围][S ，力求][S S ca >。 二 选择题 (1) 零件受对称循环应力时，对于塑性材料应取 Ｃ 作为材料的极限。 A. 材料的抗拉强度 B. 材料的屈服极限 C. 材料的疲劳极限 D. 屈服极限除以安全系数。 (2) 零件的截面形状一定时，当截面尺寸增大，其疲劳极限将随之 Ｃ 。 A. 增高 B. 不变 C. 降低 (3) 在载荷几何形状相同的条件下，钢制零件间的接触应力 Ｃ 铸铁零件间的接触应力。 A. 小于 B. 等于 C. 大于 (4) 两零件的材料和几何尺寸都不相同，以曲面接触受载时，两者的接触应力值 Ａ 。 A. 相等 B. 不相等 C. 是否相等与材料和几何尺寸有关 第2章 机械零件的强度复习题 一、选择题 2-1．下列四种叙述中，________是正确的。 A ．变应力只能由变载荷产生 B ．变应力只能由静载荷产生 C ．静载荷不能产生变应力 D ．变应力也可能由静载荷产生 2-2．发动机连杆横截面上的应力变化规律如题2-2图所示，则该变应力的循环特性系数r 为________。 A ． B ．– C ． D ．– 2-3.应力的变化规律如题2-2图所示，则应力副a σ和平均应力m σ分别为_______。 A ．a σ = MPa ，m σ= MPa B ．a σ = MPa ， m σ= MPa C ．a σ = MPa ， m σ= MPa D ．a σ= MPa ， m σ= MPa 2-4. 变应力特性可用max σ、min σ、m σ、a σ和r 五个参数中的任意________来描述。 A ．一个 B ．两个 C ．三个 D ．四个 2-5．零件的工作安全系数为________。 A ．零件的极限应力比许用应力 B ．零件的工作应力比许用应力 C ．零件的极限应力比零件的工作应力 D ．零件的工作应力比零件的极限应力 2-6．机械零件的强度条件可以写成________。 A ．σ≤][σ，τ≤][τ 或 σS ≤σ][S ，τS ≤τ][S B ．σ≥][σ，τ≥][τ 或 σS ≥σ][S , τS ≥τ][S C ．σ≤][σ，τ≤][τ 或 σS ≥σ][S , τS ≥τ][S D ．σ≥][σ，τ≥][τ 或 σS ≤σ][S , τS ≤τ][S 2-7．在进行材料的疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的________。 A ．屈服点 B ．疲劳极限 C ．强度极限 D ．弹性极限 2-8． 45钢的对称疲劳极限1-σ=270MPa ，疲劳曲线方程的幂指数m = 9，应力循环基数N 0 =5×106次，当实际应力循环次数N =104 次时，有限寿命疲劳极限为________MPa 。 A ．539 B ．135 C ．175 D ．417 2-9．有一根阶梯轴，用45钢制造，截面变化处过度圆角的应力集中系数σk = ，表面状态系数 题 2-2 图 机械零件的强度计算复习题 简答题 1.问：试述零件的静应力与变应力是在何种载荷作用下产生的？ 答：静应力只能在静载荷作用下产生，变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。 2.问：零件的等寿命疲劳曲线与材料试件的等寿命疲劳曲线是否相同？ 答：两者不同，零件的等寿命疲劳曲线需考虑零件上应力集中对材料疲劳极限的影响。 3.问：疲劳损伤线性累积假说的含义是什么？ 答：该假说是：在每一次应力作用下，零件寿命就要受到一定损伤率，当损伤率累积达到100%时（即达到疲劳寿命极限）便发生疲劳破坏。通过该假说可将非稳定变应力下零件的疲劳强度计算折算成等效的稳定变应力疲劳强度。 4.问：机械零件上的哪些位置易产生应力集中？举例说明。如果零件一个截面有多种产生应力集中的结构，有效应力集中 答：零件几何尺寸突变（如：沟槽、孔、圆角、轴肩、键槽等）及配合零件边缘处易产生应力集中。当一个截面有多处应力源时，则分别求出其有效应力集中系数，从中取最大值。 5.问：两个零件以点、线接触时应按何种强度进行计算？若为面接触时（如平键联接），又应按何种强度进行计算？ 答：点、线接触时应按接触强度进行计算；面接触应按挤压强度计算。 6.问：零件的截面形状一定，当截面尺寸增大时，其疲劳极限值将如何变化？ 答：不变。 7.问：两零件的材料和几何尺寸都不相同，以曲面接触受载时，两者的接触应力是否相同？ 答：两零件的接触应力始终相同（与材料和几何尺寸无关）。 选择题 1、零件的形状、尺寸、结构相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度____。 A.较高 B.较低 C.相同 2、某齿轮工作时，轮齿双侧受载，则该齿轮的齿面接触应力按___变化。 A.对称循环 B.脉动循环 C.循环特性r=-0.5的循环 D.循环特性r=+1的循环 3、零件表面经淬火、渗氮、喷丸、磙子碾压等处理后，其疲劳强度____。 A.增高 B.降低 C.不变 D.增高或降低视处理方法而定 4、某齿轮工作时，轮齿单侧受载，则该齿轮的齿面接触应力按___变化。 A.对称循环 第二章 机械零件的强度 （一）教学要求 掌握极限应力图和单向稳定变应力时强度计算 （二）教学的重点与难点 极限应力图绘制及应用 （三）教学内容 §2—1 载荷与应力的分类 一、载荷的分类 静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢 变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化） 2）随机（变）载荷——载荷的频率和幅值均随机变化 循环变载荷： a) 稳定循环变载荷——每个循环内载荷不变，各循环周期又相同（往复式动力机曲轴） b) 不稳定循环变载荷——每一个循环内载荷是变动的 载荷：1）名义载荷；2）计算载荷。（如前章所述） 二、应力的分类 1、应力种类 应力 静应力 不稳定变应力——变应力中，每次应力变化的周期T 、m σ和应力幅 变应力 a σ三者之一不为常数 稳定循环变应力——T 、m σ、a σ均不变 不稳定变应力 规律性不稳定变应力 图2-2a 随机变应力—统计 图2-2b 稳定循环变应力的基本参数和种类：（参数间的关系：图示） 2、稳定循环变应力的基本参数和种类 a) 基本参数 最大应力min σ、a m σσ+、最小应力min σ，平均应力m m σσσ+=max ，应力幅a σ 最小应力a m σσσ-=min 平均应力 m σ 2m a x m m σσσ+= 应力幅a σ 2 m a x m m σσσ-= 应力循环特性：max σσγmim = ∴ 11+<<-γ 注意：一般以绝对值最大的应力为max σ 五者中，只要知道两者，其余参数即可知道，一般常用如下的参数组合来描述： ①m σ和a σ；②max σ和min σ；③max σ和m σ b) 稳定循环变应力种类 -1，max σ=min σ=a σ,m σ=0 ， 对称循环变应力 按max σσγmim == 0，min σ=0，m σ=a σ=2 max σ ， 脉动循环变应力 11+<<-γ， max σ=m σ+a σ，min σ=m σ-a σ， 不对称循环变应力 +1， 静应力 其中最不利的是对称循环变应力。 注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生，其实例如图2-4所示——转动心轴表面上a 点产生的应力情况 3）名义应力和计算应力 名义应力——由名义载荷产生的应力)(τσ 计算应力——由计算载荷产生的应力)(ca ca τσ 计算应力中计入了应力集中等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力 §2—2 静应力时机械零件的强度计算 静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂 一、单向应力下的塑性零件 强度条件： ??? ??? ? =≤=≤τστττσσσ][][][][s s s ca s ea 或 ??? ? ??? ≥=≥=ττσσττσσ][][s s s s ca s ca s s σ、s τ—材料的屈服极限 σs 、τs —计算安全系数 σ][s ，τ][s —许用安全系数 二、复合应力时的塑性材料零件 按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 设单向正应力和切应力分别为σ和τ 由第三强度理论：]/[][42 2s s ca σστσσ=≤+= 取2/=s s τσ （最大剪应力理论） 或 由第四强度理论：]/[][42 2s s ca σστσσ=≤+= 3/≈s s τσ 或 （最大变形能理论） ][)(2 22s s s s s ca ≤+= ττσ σσ ][2 2 s s s s s s ca ≤+= τ στσ σs 、τs 分别为单向正应力和切应力时的安全系数，可由式（2-4）求得。 三、脆性材料与低塑性材料 6 第一篇 总论 第三章机械零件的强度 3-1某材料的对称循环弯曲疲劳极限 d -i =180MPa 取循环基数 N 0=5 10, m=9,试求循环 次数N 分别为7000, 2500, 620000次是时的有限寿命弯曲疲劳极限。 3-2已知材料的力学性能为 d s =260MPa d -i =170MPa 。=0.2 ，试绘制此材料的简化极限应 力线图(参看图 3-3中的A ' D' G C )。 3-3 一圆轴的轴肩尺寸为： D=72mmd=62mmr=3mm 。材料为40CrNi ，其强度极限 d B =900MPa 屈服极限d s =750MPa 试计算轴肩的弯曲有效应力集中系数 k d 。 3-4圆轴轴肩处的尺寸为： D=54mm d=45mm r=3mm 如用题3-2中的材料，设其强度极限 d B =420MPa 试绘制此零件的简化极限应力线图。 3-5如题3-4中危险截面上的平均应力 d n=20MPa 应力幅d a =900MPa 试分别按：a ) r=C ; b ) d n=C ,求出该截面的计算安全系数 S ca 。 第五篇联接 第五章 螺纹联接和螺旋传动 5- 1分析比较普通螺纹、 管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点， 各举一例说明它们的应用。 5- 2将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处？ 5- 3分析活塞式空气压缩机气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况， 它的最大应力，最小 应力如何得出？当气缸内的最高压力提高时，它的最大应力、最小应力将如何变化？ 5- 4图5-49所示的底板螺栓组联接受外力 F 的作用。外力 F 作用在包含x 轴并垂直于底 板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保证联接安 全工作的必要条件有哪些？ 5- 5图5-50是由两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用 4个螺 栓与立柱相联接，托架所承受的最大载荷为 20kN ，载荷有较大的变动。试问：此螺栓联接 图5-49底扳顒栓组联接 图龙门起重机导软托架最全机械零件的强度.完整版.doc
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