《机械零件的疲劳强度设计》第二章 机械零件的疲劳强度设计

第二章机械零件的疲劳强度设计 §2-1概述 §2-2疲劳曲线和极限应力图 §2-3影响零件疲劳强度的主要因素 §2-4受恒幅循环应力时零件的疲劳强度 §2-5受变幅循环应力时零件的疲劳强度

第二章 机械零件的疲劳强度设计 §2-1 概 述 §2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-3 影响零件疲劳强度的主要因素 §2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度 §2-5 受变幅循环应力时零件的疲劳强度

NWI §2-1概述 、疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的Om<Ob, 而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次 数的增加,当损伤累积到一定程度时,在零件的表面或内部将出现 (萌生)裂纹。之后,裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓 慢形成的破坏称为“疲劳破坏” 疲劳破坏”。一一是循环应力作用下零件的主要失效形式 ■疲劳破坏的特点 a)疲劳断裂时:受到的O-低于Ob,甚至低于O。。 b)断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料,还是塑 性材料,均表现为脆性断裂。一更具突然性,更危险

§2-1 概 述 §2-1 概 述 一、疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的 ， 而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次 数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现 （萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓 慢形成的破坏称为 “疲劳破坏” 。   max b  “疲劳破坏”。－－是循环应力作用下零件的主要失效形式。 疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的 低于 ，甚至低于 。 b) 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。—更具突然性，更危险。  max  b  s

NWI 概述您 C)疲劳破坏是一个损伤累积的过程,需要时间。寿命可计算。 d)疲劳断口分为两个区:疲劳区和脆性断裂区。 脆性断裂区 疲劳纹 疲劳区 疲劳源 、循环应力的类型 循环应力可用σnax、omm、σn、σa、y这五个参数中的任意两个参 数表示

概述2 概 述 C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 二、循环应力的类型 脆性断裂区 疲劳区 疲劳源 疲劳纹 循环应力可用max、 min 、 m 、 a 、 这五个参数中的任意两个参 数表示。 

NWI 概述您 对称循环应力 恒幅循环应力了脉动循环应力 循环应力分为: 非对称循环应力 规律性变幅循环应力 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

概述3 概 述 规律性变幅循环应力 随机循环应力 循环应力分为： 恒幅循环应力 变幅循环应力 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

NN922疲劳曲线和极限应力图 两个概念: 1)材料的疲劳极限:在应力比为y的循环应力作用下,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 σm(τ)。(变应力的大小可按其最大应力进行比较) 2)疲劳寿命N:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 y不同或N不同时,疲劳极限O则不同。 在疲劳强度计算中,取Om=σN。 、疲劳曲线(ON曲线) 是在应力比y一定时,表示疲劳极限σ2N与循环次数N之间 关系的曲线

§2-2 疲劳曲线和极限应力图 §2-2 疲劳曲线和极限应力图 两个概念： 2）疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 一、疲劳曲线（ - N 曲线） 是在应力比 一定时，表示疲劳极限 与循环次数 N 之间 关系的曲线。   N  不同或 N 不同时，疲劳极限 则不同。 在疲劳强度计算中，取 ＝ 。  rN  rN  lim  1）材料的疲劳极限 ： 在应力比为 的循环应力作用下，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 。 （变应力的大小可按其最大应力进行比较）  rN  max ( ) max  

NWI 疲劳曲线和极限应力图 典型的疲劳曲线如右图所示: 有限寿命区无限寿命区 可以看出:aN随N的 增大而减小。但是当N超过 某一循环次数N。时,曲线 B 趋于水平。即σ、不再随N 的增大而减小 ≈103N N N--循环基数。 N疲劳曲线 以N为界,曲线分为两个区: 1)无限寿命区:当N≥N时,曲线为水平直线,对应的疲劳极 限是一个定值,用O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

疲劳曲线 疲劳曲线和极限应力图 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。  rN  rN 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。   －N 疲劳曲线 o  N0 N B A   3 10  N N 有限寿命区 无限寿命区

NWI 疲劳曲线和极限应力图 可以认为:当材料受到的应力不超过O时,则可以经受无限 次的应力循环而不疲劳破坏。一一寿命是无限的。 2)有限寿命区:非水平段(N<N)的疲劳极限称为条件疲劳极 限,用O表示。当材料受到的工作应力超过G,时,在疲劳 破坏之前,只能经受有限次的应力循环 寿命是有限的。 与曲线的两个区相对应,疲劳设计分为 1)无限寿命设计:N≥N时的设计。取O= 2)有限寿命设计:N<N时的设计。取Om=N 设计中常用的是疲劳曲线上的AB段,其方程为 OxN=C(常数) 称为疲劳曲线方程

疲劳曲线和极限应力图 疲劳曲线2 可以认为：当材料受到的应力不超过 时，则可以经受无限 次的应力循环而不疲劳破坏。－－寿命是无限的。   与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：   2）有限寿命区： 非水平段（N＜N0）的疲劳极限称为条件疲劳极 限，用 表示 。当材料受到的工作应力超过 时，在疲劳 破坏之前，只能经受有限次的应力循环。－－寿命是有限的。  rN 1）无限寿命设计： N ≥ N0 时的设计。取  lim ＝   。 2）有限寿命设计： N ＜ N0 时的设计。取  lim ＝  rN 。 设计中常用的是疲劳曲线上的 AB 段，其方程为： m N N C    = （常数） －－－－称为疲劳曲线方程

NWI 疲劳曲线和极限应力图 显然,B点的坐标满足AB的方程,即σ灬N。=C,代入上式得 ON N=oN 则 K N 式中:K 寿命系数; N m—寿命指数,其值见教材P17。 N。—寿命指数,其值与零件材质有关,见教材P17。 注:(1)计算K时,如N≥N。,则取N=N 2)工程中常用的是对称循环应力(y=-1)下的疲劳极限,计 算时,只须把O,和O换成O和O1即可

疲劳曲线3 疲劳曲线和极限应力图 显然，B点的坐标满足AB的方程，即 0 m N C    = ，代入上式得： 0 m m    N r  =  N N 则     N  m N K N N = = 0 注：1）计算 KN 时，如 N ≥ N0 ，则取 N＝ N0 。 式中： N m ——寿命系数； N N K 0 = m —寿命指数，其值见教材 P17。 N0 —寿命指数，其值与零件材质有关，见教材 P17。 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  N 换成  −1 和  −1N 即可。 

NWI 疲劳曲线和极限应力图 3)对于受切应力的情况,则只需将各式中的O换成Z即可。 4)当N<(103~104)时,因N较小,可按静强度计算。 二、O-0极限应力图 是在疲劳寿命N一定时,表示疲劳极限可与应力比y之间关系 的线图。 A(0,a) 疲劳寿命为N0 无限寿命 22 极限应力线 (无限寿命)时的 Om-O极限应力图 如右图所示。 45

 45 ( )1 0, A  − ) 2 , 2 ( B  0  0 ( ,0) C  b  a  m o 疲劳曲线和极限应力图 极限应力图 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 ～104 ）时，因 N 较小，可按静强度计算。 二、  m − a 极限应力图 是在疲劳寿命N 一定时，表示疲劳极限 与应力比 之间关系 的线图。  N  疲劳寿命为 （无限寿命）时的 极限应力图 如右图所示。  m − a N0 无限寿命 极限应力线  m  a

NWI 疲劳曲线和极限应力图 极限应力线上的每个点,都表示了某个应力比下的极限应力,。 O三O+0 极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点A、B、C分别 为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。 对于高塑性钢, 疲劳强度线 A(0,o 常将其极限应力线简 BO 屈服强度线 化为折线ABDG。 (Om+0n=0,) AD段的方程为: 45 45 m 式中: 2 等效系数,其值见教材P18

极限应力图2  45 ( )1 0, A  − ) 2 , 2 ( B  0  0  a  m o  45 D ( ,0) G  s 极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点 A、B、C 分别 为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。 极限应力线上的每个点，都表示了某个应力比下的极限应力   。   = m + a 对于高塑性钢， 常将其极限应力线简 化为折线 ABDG 。 疲劳强度线 AD段的方程为：  a +  m = −1 0 2 1 0      − = 式中： − －－等效系数 ，其值见教材P18。 疲劳曲线和极限应力图  m  a 屈服强度线 ( )  m + a = s