第3章机械零件的疲劳强度

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第三章机械零件的疲劳强度计算

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150

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0
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机械设计第三章机械零件的疲劳强度计算
机械设计
3.2 材料的疲劳特性
3.2.1 材料的疲劳曲线
表示N次循环和疲劳极限间的关系曲线，称为疲劳曲线。
机械设计
曲线的BC段，随着循环次数的增加，使材料疲劳破坏的最大应力不断下降。 C点相应的循环次数大约为104。把这一阶段的疲劳现象称为应变疲劳。由于应力循环次数相对很少，所以也叫低周疲劳。
机械设计第三章机械零件的疲劳强度计算
机械设计
当N≥104时，称为高周循环疲劳。曲
线CD代表有限疲劳阶段。D点对应的疲劳极限ND称为循环基数，用N0表示。曲线CD段上任何一点所代表的疲劳极限，称为有限寿命疲劳极限。
机械设计
1.稳定循环变应力
1) 对称循环变应力
最大应力σmax和最小应力σmin的
绝对值相等而符号相反
即σmax＝-σmin
例如，转动的轴上作用一方向不变的径向力，则轴上各点的弯曲应力都属于对称循环变应力
机械设计第三章机械零件的疲劳强度计算
机械设计
2) 脉动循环变应力脉动循环变应力中
σmin＝0
劳极限。连接A′、D′得
直线A′D′
机械设计第三章机械零件的疲劳强度计算
机械设计
取C点的坐标值等于材料的屈服极限σS，并自C点作一直线与直线CO成45°的夹角，交A′D′的延长线于 G′，则CG′上的任何一

机械零件的疲劳强度

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。
变应力：随时间变化

t
t
Fa A
t
2
变应力的描述

m─平均应力； a─应力幅
max─最大应力；
min─最小应力
t
max m a
min m a
m

max
min
2
r min max
r ─应力比（循环特性）
a

max
min
2
• 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（American Society for Testing Materials, 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”。
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。
1、非对称循环

max
1 r 1
a
nF
min
m
Fa
a
Fa
t
2、对称循环 r 1
n
F
a
max a min m 0
3、脉动循环 r 0
max
a

第3章影响机械零件疲劳强度的因素

决定零件疲劳强度的是应力幅。平均应力对疲劳强度的影响是第二位的，但仍有重要作用。一般情况，拉伸平均应力使极限应力幅减小；压缩平均应力使极限应力幅增大。平均应力对正应力的影响比切应力要大。
极限应力线图
极限应力线图用来表示平均应力对疲劳强度的影响在疲劳设计中，常用平均应力折算系数将平均应力折算为等效应力幅常用的极限应力线图有三种
1 q 1 a / r 1 q 1 0 .6 a / r
赵少卞和王忠保公式
赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲
劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计算公式：
K
Kt 0.88 AQb
(3 8)
a 1[1 ( m / b ) ]
2
(3 17)
(3 18)
各计算公式中
1899年的古1 m / s )
a 0.5( max min ) 1 R m 0.5( max min ) 1 R
tan
海夫图比史密斯图醒目，使用更广泛。
等寿命图
表示相同寿命时不同
应力比下的疲劳极限间关系的线图都是等
寿命图。即给定寿命
下σa、 σm 、
σmax 、 σmin 间关
表面加工系数β1 、腐蚀系数β2、表面强化系数β3。
表面加工系数β1 定义：具有某种加工表面的标准光滑试样与磨光（抛光）标准光滑试样的疲劳极限之比
1 1 1 1
(3 11)
图表。加工方法对疲劳强度的影响是三种因素共同作用的结果，很难分别考虑各自的影响，一般根据实验用图表来表示。不同循环次数N下的β1-sb关系曲线