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 CD段曲线:σr 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σr 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。 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 无限的。 ------------------------------------------------------------------- 设计中经常用到的是σ-N 曲线的高周疲劳段(CD 段)。 CD 段曲线方程为: C N m rN =σ (N c N N D )称为疲劳曲线方程 显然D (N 0,σr ),也符合上述方程,即:C N m r =0σ代入上式得: C N N m r m rN ==0σσ N r m r rN K N N σσσ==0 (3-3) 式中: K N ——寿命系数 m ——材料常数 【说明】 1.计算K N 时,如N >N 0,则取N =N 0 此时K N =1 2. 对钢件:受拉、压、弯、扭时:m =6~20;N 0=(1~10)?106。初步计算,受弯曲疲劳时,中等尺寸零件取m =9,N 0=5?106;大尺寸零件取m =9,N 0=107。 3.无限寿命设计:零件的寿命N≥N0,(强度指标为σr )有限寿命设计:零件的寿命N 有限寿命设计的意义:在于当零件的设计寿命低于N0时,可以适当提高疲劳极限应力。亦即零件承受的工作应力可以更大些,以充分发挥材料的能力。 工程中经常用到的是对称循环(г=-1)下的疲劳极限σ-1或σ-1N,计算时,只需把式中σr,σrN,换成σ-1和σ-1N即可。 4.对于受切应力τ的情况,把σ换成τ即可。 5.大多数钢的疲劳曲线形状类似上图所示。但是,高强度合金钢和有色金属的(σ-N)曲线没有水平部分,不存在无限寿命区,因此,工程上常规定一个循环基数N0,而将此基数N0下的条件疲劳极限作为材料疲劳强度的基本指标。也记为σr。 请想想:σ-N曲线有什么用途?(?求任意r下的σrN) 三、等寿命疲劳曲线(极限应力线图) σm?σa极限应力线图 以上所讨论的σ-N曲线是材料承受单向稳定对称循环 变应力的失效规律。当零件材料承受非对称循环变应力时,必须考虑r 对疲劳破坏的影响。这时用等寿命疲劳曲线。 σrN 与材料、r 、N 有关。固定材料与N ,求σrN ~r 之间的极限应力曲线。 m a m a a m a m r σσσσσσσσσσ+- = +-== 11max min σrN = σm + σa σa -σm 的关系即能表达σrN ~r 之间的关系。 疲劳寿命N 一定时,表示疲劳极限与应力比г之间关系的线图,称为极限应力线图。 下图为疲劳寿命为N 0时(无限寿命时的)的σm ?σa 极限应力图。它是极限应力图的表示形式之一,在疲劳设计中应用最广。除此之外还有其他表示形式。这里只介绍这种σm ?σa 图。(也是由实验得到的) 曲线上的不同点,表示了不同应力比г下的疲劳极限σr (亦即σmax)。横纵坐标之和σr=σrm+σra 曲线上的四个特殊点: A'——对称循环疲劳极限 D '——脉动循环疲劳极限 B ——抗拉强度极限σB C ——材料的屈服极限σS 为了便于计算,工程设计中常对上图进行简化。 A 'G '线——疲劳强度线。其上的各点表示了一定r 下的疲劳极限。 CG '线称为——屈服强度线。其上的各点表示屈服极限。 σmax =σ'm +σ'a =σS 横轴上的任一点都代表了应力幅等于零的应力?静应力 ?如果材料承受的工作应力点落在折线A 'G 'C 以内,则不发生破坏。且距离折线越远越安全。 ?如果落在折线以外,则一定发生破坏。 ?如果正好处于折线上,表示工作应力状况正好处于极限应力状态。 --------------------------------------------- 直线A 'G '的方程: 由已知两点的坐标A '(0,σ-1)、D '( 2 σ, 2 σ)可推出, 00 2 2 m 1a 010-'-'= ----σσσσσσ 10a 0m 10222---'='?? ? ??-σσσσσσσ m 01a 10 22 2 σσσσσσσ'?? ? ? ? -+'= -- ()m 01a 0102σσσσσσσ'-+'=-- m 1a 12σσσσσσ'-+'=-- σ-1 =σ'a +?σσ'm (3–4) 式中: 0 12σσσ?σ-= - (3–6) 碳钢:?σ≈0.10 ~ 0.2;合金钢:?σ≈0.2~0.3 直线CG '的方程为: σ'a +σ'm =σS (3–5) ?σ——试件受循环弯曲应力时的材料常数。(用于将平均应 力等效地折算成应力幅的折算系数) σ'a ——试件受循环弯曲应力时的极限应力幅 σ'm ——试件受循环弯曲应力时的极限平均应力 【强调】σm -σa 图的用途:根据σ-1,确定非对称循环应力下的疲劳极限σrN ,以计算安全系数。 § 3 – 2 疲劳曲线和极限应力图 由于零件的应力集中、绝对尺寸、表面质量及强化等影响,零件的疲劳极限小于规范试件的疲劳极限。 K σ?弯曲疲劳极限的综合影响系数 σ-1?材料的对称循环弯曲疲劳极限 σ-1e ?零件的对称循环弯曲疲劳极限 1e 1 K --= σσσ (3–7) σ σσK e 1 1--= (3–8) (在非对称循环时,K σ是试件的与零件的极限应力幅的比值) 由于K σ只影响应力幅,所以只有A '、D '两点的纵坐标计入K σ,得到零件的对称循环疲劳极限点A 和脉动循环疲劳极限点D 。对CG 线,由于是按静强度考虑的,而静强度不受K σ的影响,所以CG 线不必修正。因此,折线AGC 即为零件的极限应力图。 【方法】 把材料的极限应力线图中的直线A 'D 'G '按比例向下移动→直线ADG 直线AG 的方程: A (0, σσK 1-),D (2 0σ ,σσK 20) 直线AD 间的任一点的坐标 (me σ',ae σ') 00 2 2me 1 ae 1 -'-'= -- --σσσσσσσσ σ K K K →σσσσσσσσσσK K K 10ae 0me 10222---'='??? ? ??- me ae K K K σσσσσσσσσσ '???? ??-+'= --2220101 0 me ae K K K σσσσσσσσσ σ'??? ? ??-+'=--222010 10 me ae K K σσσσσσσ σ '??? ? ??-+'=--0011 21 me e ae 1 1e K σ?σσσσσ '+'== --(3–9) 或 me ae 1K σ?σσσσ'+'=-(3–9a ) 直线CG 的方程:σ'ae +σ'me =σS (3–10) σ'ae ——零件受循环弯曲应力时的极限应力幅 σ'me ——零件受循环弯曲应力时的极限平均应力 ?'σe ——零件受循环弯曲应力时的材料常数 1211σσσ??σσσσ-?=?= -K K e (3–11) q K K ββεσ σ σ σ1 ) 11 ( -+ = (3–12) K σ?零件的有效应力集中系数 εσ?零件的尺寸系数 βσ?零件的表面质量系数 βq ?零件的强化系数 【注解】对于切向应力,将σ改为τ即可。 一、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 计算零件的疲劳强度时,应首先求出零件危险截面上的σmax ,σmin →σm ,σa ,即得到工作应力点M (σm ,σa )。然后将其标在零件的极限应力图上。 强度条件是S ca = m ax lim σσ>S σlim 为零件的极限应力线AGC 上的点。即:σlim =σ'max σmax 为零件的最大工作应力。 计算强度时,σlim 用AGC 线上的哪一点呢?这要根据零件载荷的变化规律决定。典型的应力变化规律通常有三种: 1. r =C (绝大多数转轴的应力状态) C r r m a =+-=+-=11min max min max σσσσσσ(常数) 连接OM ,并延长,交AG 于M '1。射线OM '1上任何一点的应力比都相同。M '1点的应力值就是我们要的极限应力 ∵M '1 (σ'me ,σ'ae ) 在极限应力曲线AG 上, ∴σ'max =σ'ae +σ'me OM 方程: me ae m a σσσσ''=??(1) AG 方程:me ae 1K σ?σσσσ'+'=-??(2) 由(1)得 m me a ae σσσσ'='?? (3) 将(3) 代入(2)得 me m m m me a K σσσ?σσ?σσσσσσσσσ '+='+'=-me 1K m a m K σ?σσσσσσ+='-1m e ??(4) 将(4)代入(3)得 m a a K σ?σσσσσσ+='-1ae ??(5) 将(4)与(5)相加 σ'max =σ'ae +σ'me =m a a m a a m K K σ?σσσσ?σσσσσσσ+=++--max 11)( 强度条件: S ca =m a K σ?σσσσσσσσ+='=-1max max max lim ≥S (3–17) N 点的极限应力点N '在CG 上,此时的极限应力为σs ,属于屈服失效。 静强度条件: S ca =m a S S σσσσσσσ+==max max lim ≥S (3–18) 【强调】 凡是工作应力点位于OGC 区域时,在r=C 的条件下,都只进行静强度计算。 2. σm =C (常数)(振动着的受载弹簧的应力状态) 过M 点作MM 2'∥纵轴,交直线AG 于点M '2(σ'me ,σ'ae ) 直线MM 2'的方程为:σ'me =σm ??(1) 直线AG 的方程为:me ae 1K σ?σσσσ'+'=-?? (2) (1)代入 (2) 得: σ σσ?σσK m -='-1ae ??(3) (1)+(3)得: σ'max =σ'ae +σ'me =σ σσσ σσ?σσσ?σK K K m m m )() 11-+= +--- 强度条件: S ca = max max max lim σσσσ'= =) ()(1a m m K K σσσ?σσσσ+-+-≥S (3–21) N 点的极限应力N '位于CG 上,仍按(3–18)计算 【强调】 凡是工作应力点位于GHC 区域时,在σm =C 的条件下,都只进行静强度计算。 3. σmin =C (常数)(受轴向变载荷的紧螺栓联接) σmin =σm -σa →σa =σm -σmin AG 的方程:me ae 1K σ?σσσσ'+'=-?? (1) MM '4的方程:由σa =σm -σmin 得 σ'ae =σ'me -σmin ?? (2) (2)代入(1)得: me min me 1)(σ?σσσσσ'+-'=-K min me 1)(σσ?σσσσK K -'+=- σ σσ?σσσ++='-K K me min 1??(3) 将(3)代入(2)得: σ σσσσσ?σ?σσ?σσσ+-=-++='--K K K ae min 1min min 1?? (4) σ'max =σ'ae +σ'me = σ σσσψσ?σ+-+-K K min 1)(2 σmax =σm +σa =(σmin +σa )+σa =2σa +σmin 强度条件: S ca =max max max lim σσσσ'= =) 2)(()(2min min 1σσ?σ?σσσσσ++-+-a K K ≥S (3–24) 【强调】 M 点在AOJ 区域内,很少,不讨论; M 点在CGI 区域内,按静强度~ ; M 点只有在OJGI 区域内,才按(3–24)计算。 具体设计时,如难以确定应力变化的规律,按r=C 计算 S ca = m a K σ?σσσσσσσσ+='=-1 max max max lim ≥S (3–17) 进一步分析(3–17)式, 分子:对称循环弯曲疲劳极限 分母:第一项为应力幅;第二项?σσm 可以看成是应力幅,即?σ是把平均应力等效地折算成应力幅的折算系数。因此,把K σσa +ψσσm 看成是对称循环变应力。由于是对称循环,所以它是一个应力幅,记为σad 。应力的等效转化。 σad =K σσa +?σσm (3–26) 于是计算安全系数为:S ca = ad σσ1 - (3–27) 当要求零件的寿命在104 二、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力分为: 非规律性的:用统计疲劳强度的方法。 规律性的:疲劳损伤累积假说。 规律性不稳定变应力 如图所示,变应力σ1?对称循环变应力的最大值,作用了n 1次;σ2 ,作用了n 2次;??;与σ–N 图合讲。 假设每一次应力循环都对材料起到损伤作用, 应力σ1每作用一次,对材料的损伤率为1 1 N ,作用了n 1次,损伤率为 1 1 N n ;以此类推,σ2,n 2,?。 当应力σ<σ-1 时,认为该应力对材料不起疲劳损伤的作 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 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 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 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 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 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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