机械设计疲劳强度

1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之
间关系的曲线
No —循环基数
—持久极限
N
有限寿命区
无限寿命区
A
N
B
O
103N
N0
N
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
材料的疲劳曲线σrN –N（Curve of fatigue ）
σrN A 有限寿命区
①小应力: ②持续性:
③敏感性:
变应力最大值低于材料静强度限 变应力多次作用 对材料、几何形状敏感
④突发性: 突然断裂
疲劳断口特征：疲劳区和脆性断裂区。 脆性断裂区
概述
概述2
疲劳区
疲劳纹
疲劳源
疲劳破坏的机理：疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要 时间，寿命可计算。 影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性， 应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。
m N
N
m
N0
C
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
∴疲劳极限
N
m
N0 N
KN
KN
m
N0 N
——寿命系数
几点说明：
① No 硬度≤350HBS钢， No=107
≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
曲轴疲劳断裂断口特征 裂纹源区
概述
概述2
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§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
一、疲劳曲线（ rN- N 曲线）
N
( N
)
——疲劳极限，循环特征为r的循环变应力下应力循环
N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力 材料的疲劳极限。
称ma为x ( max )
疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N
a
a
O t
O t
一定学会判断应力类型
一、疲劳破坏
§2-1 概 述
疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。
1、疲劳破坏 (Fatigue failure)
Baidu Nhomakorabea
疲劳破坏： 变应力、多次作用下，材料发生破坏
§2-1 概 述
疲劳破坏 过 程：
①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断
曲轴断裂 实例 内源断裂
疲劳破坏 特 征：
无限寿命区
σrN1
m rN
N
C
σrN2 σrN0
o 103 N1 N2
B
r N0
C
N
m、C—系数
N0—循环基数
1）有限寿命区
当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按
静强度计算
§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图
当N>103(104)——高周循环疲劳 N
N
N
≥
N，0 则取 N＝ 。 N 0
2）工程中常用的是对称循环应力（ =-1）下的疲劳极限，计
算时，只须把
和
换成N 和
1即可。 1N
3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的 换成 即可。
4）当N ＜（103 ～ 10）4 时，因 N 较小，可按静强度计算。
5）无限寿命设计： N ≥ N0 时的设计。取 ＝lim 。
How
对任何材料（标准试
a
件），对不同的应力循环特 a
性下有不同的持久极限，即
该材料的最大应力
，
再由应max力、循环极特、限性min可求出 max m a
o
A0, 1
45
B( 0 , 0 )
22
区 ② m—指数与应力与材料的种类有关。
钢 m=9——拉、弯应力、剪应力 m=6——接触应力
青铜 m=9——弯曲应力
m=8——接触应力
材料疲劳曲线和极限应力图
疲劳曲线2
③ 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零 件强度越有利。 对称循环（应力循环特性=-1）最不利
注：1）计算
K
时，如
第二章 机械零件的疲劳强度设计
§2-1 概 述 §2-2 材料疲劳曲线和极限应力图 §2-3 影响（part）零件疲劳强度的主要因素 §2-4 受稳定循环应力时零件的疲劳强度 §2-5 受规律性不稳定循环应力时零件的疲劳强度
§2-1 概 述
一、交变应力的描述(Parameters of variable stress) 材料疲劳的两种类别
§2-1 概 述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
表2-1 几种典型变应力的循环特征和应力特点
循环应力类型
循环特征
应力特点
对称循环应力 脉动循环应力
r 1
r0
m 0, a max min
min 0,a m max / 2
非对称循环应力
1 r 1(r 0)
a
max
min
6）有限寿命设计： N ＜ N0 时的设计。取
＝ 。
lim
rN
材料疲劳曲线和极限应力图
极限应力图3
事1
N
材料疲劳曲线和极限应力图
极限应力图
二、材料 m a 极限应力图
定义：在疲劳寿命N 一定时，表示疲劳极限 N与应力比 之 间关系的
线图。
下图为疲劳寿命为 N（0 无限寿命）时的极限应力图 m a
有限寿命区
当 103 (104 ) 时N 随 循N0环次数↑疲
A
劳极限↓
无限寿命区
N
2）无限寿命区
B
N N0
N ——持久极限
O
103N
N0
N
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3）疲劳曲线方程 (103 (104 ) N N0 )
§2-1 概 述
σ (1)非对称循环变应力
σa
(-1≤ r ≤+1)
最大应力： σmax 最小应力： σmin (2) 脉动循环变应力
(3)对称循环变应力
σmax σmin
σm
t
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2
应 力 幅：σa=(σmax-σmin)/2
应力循环特性：r= σmin /σmax
2
, m
max min
2
静应力
r 1
a 0, m min max
当零件受变切应力作用时，只需将公式中的 改成
why
零件的破坏形式及材料的极限应力与零件所受的变 应力类型有关，所以弄清零件所受的变应力的规律。
§2-1 概 述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
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
σ
σmin =0 ；σm =σa
r= σmin /σmax =0
t
σ
σm =0 ；
t σmax =σa= -σmin r= σmin /σmax= -1
恒幅循环应力 循环应力分为：
变幅循环应力
概述
概述3
对称循环应力 脉动循环应力 非对称循环应力
规律性变幅循环应力
随机循环应力
规律性变幅循环应力
随机循环应力