文档介绍：机械零件的强度
§3-1 材料的疲劳特性
§3-2 机械零件的疲劳强度计算
§3-3 机械零件的抗断裂强度
§3-4 机械零件的接触强度
青岛科技大学专用潘存云教授研制
一、应力的种类
o
t
σ
σ=常数
脉动循环变应力
r =0
静应力: σ=常数
变应力: σ随时间变化
平均应力:
应力幅:
循环变应力
变应力的循环特性:
对称循环变应力
r =-1
----脉动循环变应力
----对称循环变应力
-1
= 0
+1
----静应力
σmax
σm
T
σmax
σmin
σa
σa
σm
o
t
σ
σmax
σmin
σa
σa
o
t
σ
o
t
σ
σa
σa
σmin
r =+1
静应力是变应力的特例
§3-1 材料的疲劳特性
青岛科技大学专用潘存云教授研制
变应力下,零件的损坏形式是疲劳断裂。
▲疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低,甚至比屈服极限低;
▲疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
▲疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
不管脆性材料或塑性材料,
▲零件表层产生微小裂纹;
疲劳断裂过程:
▲随着循环次数增加,微裂
纹逐渐扩展;
▲当剩余材料不足以承受载
荷时,突然脆性断裂。
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
疲劳断裂具有以下特征:
▲断裂面累积损伤处表面光滑,而折断区表面粗糙。
表面光滑
表面粗糙
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σmax
N
二、 s-N疲劳曲线
用参数σmax表征材料的疲劳极限,通过实验,可得出如图所示的疲劳曲线。称为:
s-N疲劳曲线
104
C
在原点处,对应的应力循环次数为N=1/4,意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限σB 。
B
103
σ
t
σB
A
N=1/4
在AB段,应力循环次数<103 σmax变化很小,可以近似看作为静应力强度。
BC段,N=103~104,随着N ↑→σmax ↓,疲劳现象明显。
因N较小,特称为:
低周疲劳。
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由于ND很大,所以在作疲劳试验时,常规定一个循环次数N0(称为循环基数),用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞。
σmax
N
σr
N0≈107
C
D
σrN
N
σB
A
N=1/4
D点以后的疲劳曲线呈一水平线,代表着无限寿命区其方程为:
实践证明,机械零件的疲劳大多发生在CD段。
可用下式描述:
于是有:
104
C
B
103
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CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为:
式中, sr、N0及m的值由材料试验确定。
试验结果表明在CD区间内,试件经过相应次数的边应力作用之后,总会发生疲劳破坏。而D点以后,如果作用的变应力最大应力小于D点的应力(σmax<σr),
则无论循环多少次,材料都不会破坏。
CD区间-----有限疲劳寿命阶段
D点之后----无限疲劳寿命阶段
高周疲劳
σmax
N
σr
N0≈107
C
σB
A
N=1/4
104
C
B
103
D
σrN
N
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σa
σm
应力幅
平均应力
σa
σm
σS
σ-1
σa
σm
σS
σ-1
材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数N下,极限应力幅之间的关系曲线来表示,特称为等寿命曲线。
简化曲线之一
简化曲线之二
三、等寿命疲劳曲线
实际应用时常有两种简化方法。
σS
σ-1
45˚
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σa
σm
σS
45˚
σ-1
O
简化等寿命曲线(极限应力线图):
已知A’(0,σ-1)
D’(σ0 /2,σ0 /2)两点坐标,求得A‘G’直线的方程为:
AG’直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。
对称循环: σm=0
A’
脉动循环: σm=σa =σ0 /2
说明CG‘直线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。
σ0 /2
σ0 /2
45˚
D’
σ’m
σ’a
CG’直线上任意点N’的坐标为(σ’m ,σ’a )
由∆中两条直角边相等可求得 CG’直线的方程为:
σ’a
G’
C
N’
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σa
σm
σS
45˚
σ-1
G’
C
σ0 /2
σ0 /2
45˚
D’
C
G’
A’
O
而正好落在A’G’C折线上时,表示