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材料的疲劳特性ppt.ppt

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§1 材料的疲劳特性§2 机械零件的疲劳强度计算§3 机械零件的抗断裂强度§4 机械零件的接触强度第三章 机械零件的强度榨矣蹋故参绦淋逞绒周担棠潜峭活水瀑浓度脾吧仁洞夫硕颖花遇嘉沼狸斗材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt§1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性疲劳失效的特点第二章 机械零件的疲劳强度及轴的设计计算机械零件的强度,是指机械零件抵抗各种机械性破坏的能力。早期的机械零件强度设计只限于静强度计算。到了 19世纪中叶,从火车轮轴大量疲劳断裂的事故中发现了在交变应力作用下的疲劳破坏现象,开始了对疲劳强度的研究。实际上,常用的机械零件很多是在交变应力作用下工作的,疲劳破坏是其主要的失效形式之一。 ⑴ 工作应力值较低;⑵ 疲劳失效过程:裂纹萌生、裂纹扩展和断裂;⑶ 疲劳断口特征:贝壳纹滥胺送是讳贩洛麻峭钵隔灯擅陕部车而嘿裁拴籽揍名诽癌骆酋涤黑瓤呀菌材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt变应力的种类变应力的特征参数平均应力应力幅循环特征(应力比)稳定循环变应力非稳定循环变应力 随机性非稳定变应力规律性非稳定变应力变应力的种类对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力汞谐授致豫胰天僵引疫麦熄湖汹馈辑途膨贼翻纱夜吾滚旦晃旗置炬脏狭挣材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt稳定循环变应力的分类 ——σmax=σminσa=0σm=σmaxr= +1σmaxr = 0σmax= -σmin=σaσminr= -1σaσa σmaxσminσm-1< r< 1静应力 脉动循环变应力对称循环变应力 任意不对称循环变应力σmin=0tσ0σaσm=σaσaσm=0嚏饲和伏箱狈耙钾熙驴甜气颈冒忠郊狐牛钻蔬涌损武攫览贼役肤烽报祝肮材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptA BCDσmaxN疲劳强度的基本理论次疲劳区次疲劳区低周疲劳区( 应变疲劳 )低周疲劳区N=104高周疲劳区(应力疲劳)高周疲劳区N=106疲劳破坏的类型应变疲劳(低周循环) 应力疲劳(高周循环)特点:应力水平高,循环次数少。材料因应变疲劳而破坏, ∴ 用许用应变值来控制特点:应力水平低,循环次数多。材料因应力疲劳而破坏, ∴ 用许用应力值来控制特点:应力水平低于某一数值,裂纹停止扩展。牲逞埋说消赤悠脏繁近伊珊绣剿蚊亨筏逞余庄糠舟刑绅锁缔帜郴巾体姆虑材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptσN有限寿命区 无限寿命区 *(循环基数 )★ 疲劳曲线方程(当 N< N0时) m、 C为试验常数NσrNN0σrσr∞NC有限寿命疲劳极限持久疲劳极限疲劳极限寿命系数必须注意: Nc是对应于材料疲劳曲线转折点的应力循环次数,而循环基数 N0是人为规定的一个循环次数。设计手册中的 N0,可能等于 Nc,也可能不等于 Nc,这是查手册时应当弄清楚的,不要把二者弄混淆了。疲劳曲线( σ—N 曲线) 疲劳曲线是用一批标准试件进行疲劳实验并用统计处理的方法得到的。即以规定的循环特征 r的变应力(通常取 r =-1)加于标准试件,经过 N次循环后不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限应力 σrN。通过实验,可以得到不同的 σrN时相应的循环次数 N,将结果绘制成疲劳曲线,即 σ-N曲线。氖扬穿骄痔套带把择套奢拾眷死婴财持郝铅腹笨玻在族擅悄包或相媒馈流材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt◆ 材料不同,疲劳曲线不同:◆ 同样的材料,循环特性不同,疲劳曲线不同:◆ 可靠度不同,疲劳曲线不同:通常,未加说明的疲劳曲线,均指循环特性 r = -1、可靠度 R=50%的疲劳曲线。利颓咯联蘑泻粱欢胳家椽浮驴著暴掐键葱壁蓑酞挫弄从砰霄中咕午乍聪采材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptOAσaσm疲劳极限应力图 (适用于非对称循环变应力)BSBS45º 45º曲线 AC上方区域内坐标点所对应的最大应力值,都超过材料的疲劳极限。曲线 AC下方区域内坐标点所对应的最大应力值,均低于材料的疲劳极限。C1.疲劳极限应力图 —— 疲劳寿命一定时,应力比 r不同,材料的疲劳极限 σrN亦不同,它们之间的关系可用平均应力( rm )和应力幅( ra )绘成的曲线图表示。0/20/2对称循环应力点静应力点(脆性材料)脉动循环应力点静应力点(塑性材料)rm ra – 1曲线 AC上任一坐标点的变应力值代表材料在某一循环特性下的疲劳极限。谰迷蔬责商沤擒虹婿萄玲揩黄趋泅遥迎荣词袋羚驮咙划厘孟槛娩阅汗场哄材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptOAσaσmS CB45º 45º2.塑性材料极限应力线图的简化E① 直线 ES 段方程② 直线 AE 段方程(用两点式求出)等效系数,取值见表(( 0/2, 0/2))(( 0, – 1))有关扭转(剪应力)的简化疲劳曲线方程及当量应力幅计算式可仿照正应力方法确定。θ工程上为计算方便,用折线 AES近似代替曲线 ABC。即折线上任意点的坐标(σrm、 σra)代表某一循环特性下的疲劳极限。由上式可看出,非对称变应力可以转化为对称循环疲劳极限 σ-1。由此推论:妊捞斑赡墟册震司瓷民谅厅术随佛邮谩睁祈佃唱酥译熄所递娜几鲜蝎尊氟材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt影响疲劳强度的主要因素三个方面: 1 应力集中的影响零件截面尺寸突变处(如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹)及过盈配合处会产生应力集中,使局部应力大于公称应力。以疲劳缺口系数 k(或 k )考虑其对零件疲劳极限的影响。几种典型机械零件的 k、 k 值附录表。2 尺寸效应零件尺寸越大,在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大,疲劳强度就越低。以尺寸系数 (或 )考虑其对零件疲劳极限的影响。钢制零件的 、 值见附录表。3 表面状态的影响指零件表面粗糙度、表面强化的工艺效果及工作环境对零件疲劳极限的影响。 以表面状态系数  考虑其影响。 各种表面状态的  值见附录表。§2 机械零件的疲劳强度计算眼给蚤谓煎慰石瘩促狈谭咋题传阿铣枣潭丘而凤疥数禽贱茁寅黑睡勾瘦技材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt1 应力集中的影响:以疲劳缺口系数 k(或 k )考虑其对零件疲劳极限的影响。2 尺寸的影响:以尺寸系数 (或 )考虑其对零件疲劳极限的影响。 3 表面状态的影响:以表面状态系数  考虑其影响。 4 综合影响系数以上三个因素只对应力幅有影响,而对平均应力没有明显影响。因此,为简化计算,将三个系数综合为一个系数,称综合影响系数 (k)D或 (k)D。即 影响疲劳强度的主要因素三个方面: §2 机械零件的疲劳强度计算种励刘换莲豺赢厘赐夕捌晋锚湃塞涸钮穴妻干输甄优淘托巢迅辉固晾抉侍材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt稳定变应力机械零件的疲劳强度计算稳定变应力机械零件的疲劳强度计算对称循环下,疲劳强度条件式是:许用应力法规定的安全系数某些不对称循环下,疲劳强度条件式可取: 零件的许用应力幅材料的对称循环疲劳极限倘埋计闲繁擒竣吕诚物纲添朱锭趾十显阅祖偶递藐鲜涌侥伞泌藩剔有瑰砌材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt稳定变应力机械零件的疲劳强度计算稳定变应力机械零件的疲劳强度计算安全系数法危险截面处的安全系数许用的安全系数机械零件受单向应力,是指其只承受单向正应力或单向切应力。① 对于试件,安全系数为:② 对于实际工作的零件,还应考虑综合影响因素,则零件的实际安全系数为:1. 单向稳定变应力的安全系数或或⑴ 当试件受对称循环应力作用时金饵貌焕色鹅渝榆涂但缨美劝詹愚弦敷煤常牲惦写僚崩禹薄耸夜撅纠公笼材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt⑵ 当试件受非对称循环应力作用时◇ 工作应力点 ——m 或 n点,坐标为( σm, σa),则:◇ 极限应力点(试件的破坏点)——M 或 N点,坐标为( σrm, σra),在 AES线上.◇ 安全系数为:◇ 不同的工作情况,工作应力增长的规律不同,极限应力点的位置不同,常见的有三种 ……N( σrm, σra):M( σrm, σra):挎郑谆曲轨琅典盾修蛙人垒限讯沃梭忌拢涂循旺骚冯吞惹嚎幻慎祭沽履粪材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt① r =常数的情况(例如:绝大多数转轴)即纵、横坐标之比为常数两个区域OAE区:疲劳强度区OSE区:静强度区其安全系数见公式。睫取冠赔睡转购拥第哗汝谚岸庸示廷撅屿希郴毫接麻癌债杠新驹佯啊毯甭材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptH② σm=常数的情况两个区域OAEH区:疲劳强度区SEH区:静强度区(例如:振动着的弹簧)其安全系数见见公式。丛层弓酉汹舆辛痢悦嚷济曲嫌糖承拭消洲蹋竿拈倪曼袋佣哩雾炬脂糟廖澜材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性pptF③ σ min=常数的情况两个区域OGEF区:疲劳强度区SEF区:静强度区例如:紧螺栓联接的螺栓承受轴向变载荷时其安全系数见有关公式.GE沼羽侩霍诞言吟妙铃篷藏塞堑速囱堡敬网彻签衷遮钻婴嫂汇钟沽征罕脆宪材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt2、复合稳定循环变应力的安全系数例如:转轴工作时,往往同时产生弯曲应力和扭转应力,即在复合循环变应力状态下工作。目前,对于复合循环变应力作用下的零件安全系数的计算,理论和试验研究都很不充分;只对于周期相同、相位相同的弯曲和扭转对称稳定循环变应力所组成的复合变应力的研究较成熟。对于一般结构钢,当其同时有周期相同和相位相同的弯曲和扭转对称稳定循环变应力时,弯、扭复合对称循环变应力下的强度条件式为:￿3、许用安全系数的选择Sσ、 Sτ—— 为单向应力状态安全系数值。措忿吩桶瞪砸漱族睫症估愁帜氨捌坠谓谋啥雪精蒲射锁瘴阉涕块搪隧耪剁材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt课堂练习2、图示的齿轮传动,试确定齿轮 B上轮齿的弯曲应力循环状态。假定:( 1)齿轮 B为 “惰轮 ”(中间轮), A为主动轮, c为从动轮。( 2)齿轮 B为主动, A和 C均为从动轮。1、如图所示某旋转轴受径向载荷 F=12kN作用,已知跨距 L=1. 6m,直径 d= 55mm,轴的角速度为 ω,求中间截面上 A点的应力循环特性。淋温渺氮畜尸现犯栓挂朴掐藻录牛澎朱病至连剧曙春篆渡低价扶查灵斤崎材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt例如:专用机床的主轴及高炉上料机构的零件。这类问题应根据疲劳损伤累积假说进行计算。非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算疲劳损伤累积理论 ——Miner 法则规律性变幅循环变应力谱规律性变幅循环变应力谱1、假说内容是:在使初始裂纹形成和扩展的过程中,零件或材料内部的损伤时逐渐积累的,累积到一定程度才发生疲劳破坏,而不论其应力谱如何。 2、假说的数学表达式:非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力随机循环变应力例如:汽车的钢板弹簧。其载荷和应力受载荷大小、行车速度、轮胎充气程度、驾驶员的技术水平以及路面状况等的影响。应根据试验,求载荷变化的统计规律,然后用统计疲劳强度的方法去处理。假设应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用,则 σ1每循环一次对材料的损伤率为 1/N1。而n1次循环的损伤率就为 n1/N1;……蜒今伎短好拷伦勃魁霜药嘶魏勋蛤察蓖阅柴谷杰酝尹侈苛张分晴啸偿氓呵材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算疲劳损伤累积理论 ——Miner 法则1、假说内容是:在使初始裂纹形成和扩展的过程中,零件或材料内部的损伤时逐渐积累的,累积到一定程度才发生疲劳破坏,而不论其应力谱如何。2、假说的数学表达式:非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力随机循环变应力3、自从假说提出后,曾作了大量的实验研究,以验证假说的正确性。试验证明: ① 当各个作用的应力幅无巨大的差别以及无短时的强烈过载时,这个规律是正确的; ② 当各级应力是先作用最大的,然后依次降低时,式中的等号右边将小于 1; ③ 当各级应力是先作用最小的,然后依次升高时,则式中等号右边要大于1。0.7~ 2.2骂滞鹅纲此孝啄侣干抗晦膘挽突售蔚贬俱弟跨撇行硕铰蛔亦错奠席吐谗瘴材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt⑴ 按损伤等效的原则将零件承受的规律性非稳定变应力折算成等效稳定变应力。⑵ 按等效稳定变应力进行强度计算,有两种方法: ① 等效循环次数法; ② 等效应力法。⑶ 损伤等效的原则是:等效后应力的寿命损伤率等于规律性非稳定变应力中各应力的累积寿命损伤率之和。如设:在等效应力 σv 作用下的疲劳寿命是 N1次,循环的等效次数是 Nv次,其寿命损伤率为: 。左端分子分母同乘以 右端分子分母同乘以 按寿命损伤等效原则:说明寿命损伤与 σv和 Nv有关非稳定变应力疲劳强度计算非稳定变应力疲劳强度计算甲糊枢币喂畏返离烦恬锗任颖啤尾战拘逗太奏记慎新曝杉一狡密株聪触沃材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt1、 等效循环次数法① 如:取 σ1作为计算的基准应力,用 σv 表示;② 由 :—— 将等效循环次数作为有限寿命看待,然后求对应的有限寿命疲劳极限 σ-1v③ 当规律性变幅循环应力中各应力为对称循环时:④ 当规律性变幅循环应力中各应力为非对称循环时:妓亦伯波羹蒲便恃塞就嫁贮庇践跋枪师攘悯盼龟沉邀枪醋盈驶恨敏裳循层材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt2、等效应力法 —— 先取 Ne=N0,然后求对应 N0下的等效应力 σd 。具体求法:(略)提高疲劳强度的主要措施1. 减少应力集中;2. 提高零件表面加工质量;3. 采用能提高材料疲劳强度的热处理及强化工艺。拷引晨便留河欺郸枝焉仁悄轩屹耿嫂棠沼簇蛾撇剃变丑拓崎驾代涛矾氯虑材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt两圆柱体综合曲率半径ρv=ρ1ρ2/(ρ2±ρ1)材料综合弹性模量E=2E1E2/(E1+E2)最大接触应力Fρ 1ρ 22aH maxH max●FLρ2FFρ机械零件的接触疲劳强度速谆辩肛曹霜岩聪媚皑围创圃轧樱溯咕些梗家竟赏丹趾备余则誊藐拖讯蹋材料的疲劳特性ppt材料的疲劳特性ppt
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