機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械零件的強(qiáng)度1第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨機(jī)變應(yīng)力靜應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力二、應(yīng)力的分類(lèi)1、應(yīng)力種類(lèi)變應(yīng)力：不穩(wěn)定變應(yīng)力：穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力2第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類(lèi)

a)基本參數(shù)

應(yīng)力循環(huán)特性最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅b)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類(lèi)：

-1<

γ<+1——不對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力γ=+1——靜應(yīng)力

γ=–1——對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力γ=0——脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力3第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生名義應(yīng)力——由名義載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力——由計(jì)算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力

3）名義應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力4第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、單向應(yīng)力下的塑性零件

強(qiáng)度條件：

或

§2.2靜應(yīng)力下機(jī)械零件的整體強(qiáng)度二、復(fù)合應(yīng)力時(shí)的塑性材料零件按第三或第四強(qiáng)度理論對(duì)彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算由第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）由第四強(qiáng)度理論：（最大變形能理論）5第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)為：三、脆性材料與低塑性材料脆性材料極限應(yīng)力：（強(qiáng)度極限）

1、單向應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度條件：或

或失效形式：斷裂6第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按第一強(qiáng)度條件：（最大主應(yīng)力理論）

注意：低塑性材料（低溫回火的高強(qiáng)度鋼）

—強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)計(jì)入應(yīng)力集中的影響脆性材料（鑄鐵）

—強(qiáng)度計(jì)算不考慮應(yīng)力集中一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)<103（104）按靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件7第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、失效形式：疲勞（破壞）（斷裂）2、疲勞破壞特征：

1）斷裂過(guò)程：①產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）②裂紋尖端在切應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。

2）斷裂面：①光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）②粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）

3）無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂

4）破壞時(shí)的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限§2.3變應(yīng)力下機(jī)械零件的整體強(qiáng)度一、變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征3、疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積4、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對(duì)疲勞極限有很大影響。8第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、材料的疲勞曲線(xiàn)和極限應(yīng)力圖——疲勞極限，循環(huán)變應(yīng)力下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1、疲勞曲線(xiàn)：應(yīng)力循環(huán)特性一定時(shí)，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線(xiàn)No—循環(huán)基數(shù)—持久極限1）有限壽命區(qū)當(dāng)N<103(104)—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算9第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)N>103(104)——高周循環(huán)疲勞當(dāng)時(shí)隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓注意：有色金屬和高強(qiáng)度合金鋼無(wú)無(wú)限壽命區(qū)。2）無(wú)限壽命區(qū)——持久極限對(duì)稱(chēng)循環(huán)：脈動(dòng)循環(huán)：3）疲勞曲線(xiàn)方程10第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月——壽命系數(shù)∴疲勞極限幾點(diǎn)說(shuō)明：

①No硬度≤350HBS鋼，No=107≥350HBS鋼，

No=(10-25)x107有色金屬(無(wú)水平部分)，規(guī)定當(dāng)No>25x107時(shí),近似為無(wú)限壽命區(qū)②m—指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類(lèi)有關(guān)。鋼m=9——拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力m=6——接觸應(yīng)力青銅m=9——彎曲應(yīng)力m=8——接觸應(yīng)力11第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③應(yīng)力循環(huán)特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對(duì)零件強(qiáng)度越有利。對(duì)稱(chēng)循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利2、材料的疲勞極限應(yīng)力圖——同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性下的疲勞極限圖（圖）

對(duì)任何材料（標(biāo)準(zhǔn)試件）而言，對(duì)不同的應(yīng)力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即每種應(yīng)力循環(huán)特性下都對(duì)應(yīng)著該材料的最大應(yīng)力=，再由應(yīng)力循環(huán)特性可求出和、以為橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性下的極限和的關(guān)系圖12第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖A′B——脆性材料所示，塑性材料類(lèi)似，曲線(xiàn)上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特性下的材料疲勞極限A′——對(duì)稱(chēng)疲勞極限點(diǎn)D′——脈動(dòng)疲勞極限點(diǎn)B——屈服極限點(diǎn)C——強(qiáng)度極限點(diǎn)13第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

上各點(diǎn)：如果不會(huì)疲勞破壞上各點(diǎn)：如果不會(huì)屈服破壞折線(xiàn)以?xún)?nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線(xiàn)以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應(yīng)力點(diǎn)離折線(xiàn)越遠(yuǎn)，安全程度愈高。材料的簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線(xiàn)圖，可根據(jù)材料的和三個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和而作出14第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)稱(chēng)極限點(diǎn)強(qiáng)度極限點(diǎn)脈動(dòng)疲勞極限點(diǎn)

屈服極限點(diǎn)簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線(xiàn)圖：——簡(jiǎn)化極限應(yīng)力圖

作法：考慮材料的最大應(yīng)力不超過(guò)疲勞極限，得及延長(zhǎng)線(xiàn)考慮塑性材料的最大應(yīng)力不超過(guò)屈服極限，得15第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于實(shí)際機(jī)械零件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間在絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、環(huán)境介質(zhì)等方面往往有差異，這些因素的綜合影響使零件的疲勞極限不同于材料的疲勞極限，其中尤以應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項(xiàng)因素對(duì)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度影響最大。

三、影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素和零件極限應(yīng)力圖1、應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中系數(shù)

零件受載時(shí)，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)，一般材料強(qiáng)度越高，硬度越高，對(duì)應(yīng)力集中越敏感

——為考慮零件幾何形狀的理論應(yīng)力集中系數(shù)

——應(yīng)力集中源處名義應(yīng)力

——材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感系數(shù)

——應(yīng)力集中源處最大應(yīng)力

16第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、零件尺寸的影響——尺寸系數(shù)

由于零件尺寸愈大時(shí)，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對(duì)較薄，所以對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著

3、表面狀態(tài)的影響

1）表面質(zhì)量系數(shù)零件加工的表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響鋼的越高，表面愈粗糙，愈低

強(qiáng)化處理——評(píng)火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等冷作工藝2）表面強(qiáng)化系數(shù)考慮對(duì)零件進(jìn)行不同的強(qiáng)化處理，對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響17第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月∵應(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對(duì)應(yīng)力幅有影響，而對(duì)平均應(yīng)力無(wú)影響——試驗(yàn)而得

4、綜合影響系數(shù)和零件的極限應(yīng)力圖綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值1）綜合影響系數(shù)18第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、零件的極限應(yīng)力圖

由于只對(duì)有影響，而對(duì)無(wú)影響，∴在材料的極限應(yīng)力圖A′D′G′C上幾個(gè)特殊點(diǎn)以坐標(biāo)計(jì)入影響

零件脈動(dòng)循環(huán)疲勞點(diǎn)

零件對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞點(diǎn)AG——許用疲勞極限曲線(xiàn)，GC——屈服極限曲線(xiàn)

19第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直線(xiàn)AG方程

:——零件的材料特性——標(biāo)準(zhǔn)試件中的材料特性直線(xiàn)CG方程：

20第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算

1、——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)

∴過(guò)原點(diǎn)與工作應(yīng)力點(diǎn)M或N作連線(xiàn)交ADG于M1′和N1′點(diǎn)，由于直線(xiàn)上任一點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)特性均相同,M1′和N1′點(diǎn)即為所求的極限應(yīng)力點(diǎn)

21第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OAG內(nèi)極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計(jì)算零件的極限應(yīng)力，疲勞極限：強(qiáng)度條件為：

b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OGC內(nèi)極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算22第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、——振動(dòng)中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)需在極限應(yīng)力圖上找一個(gè)其平均應(yīng)力與工作應(yīng)力相同的極限應(yīng)力，如圖，過(guò)工作應(yīng)力點(diǎn)M（N）作與縱軸平行的軸線(xiàn)交AGC于M2′（N2′）點(diǎn)，即為極限應(yīng)力點(diǎn)

a)當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OAGH區(qū)域極限應(yīng)力為疲勞極限

強(qiáng)度條件：

b）工作應(yīng)力點(diǎn)位于GHC區(qū)域極限應(yīng)力為屈服極限

強(qiáng)度條件為：

23第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、——變軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài)

∴過(guò)工作應(yīng)力點(diǎn)M（N）作與橫坐標(biāo)成45°的直線(xiàn)，則這直線(xiàn)任一點(diǎn)的最小應(yīng)力均相同，∴直線(xiàn)與極限應(yīng)力線(xiàn)圖交點(diǎn)即為所求極限應(yīng)力點(diǎn)。

24第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OJGI區(qū)域內(nèi)求AG與MM3′的交點(diǎn):強(qiáng)度條件:極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計(jì)算25第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月c）工作應(yīng)力位于OAJ區(qū)域內(nèi)b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于IGC區(qū)域極限應(yīng)力為屈服極限按靜強(qiáng)度計(jì)算∵極限應(yīng)力點(diǎn)為靜強(qiáng)度條件——為負(fù)值，工程中罕見(jiàn)，故不作考慮。

26第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5）等效應(yīng)力幅

注意：1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用γ=C的情況計(jì)算2）上述計(jì)算均為按無(wú)限壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，若按有限壽命要求設(shè)計(jì)零件時(shí)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)<N<No時(shí)，這時(shí)上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限，即應(yīng)以σ-1N代σ-1，以σoN代σo3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點(diǎn)所在區(qū)域時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮可能出現(xiàn)的兩種情況4）對(duì)切應(yīng)力上述公式同樣適用，只需將σ改為τ即可。27第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算

1、對(duì)稱(chēng)循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力

當(dāng)零件剖面上同時(shí)作用著相位相同的縱向和切向?qū)ΨQ(chēng)循環(huán)，穩(wěn)定變應(yīng)力σa和τa時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)后極限應(yīng)力關(guān)系為σa',τa'

——同時(shí)作用正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅極限值（σ

,τ同時(shí)作用）σ-1e

,τ-1e——為零件對(duì)稱(chēng)循環(huán)正應(yīng)力和切應(yīng)力時(shí)疲勞極限（σ

,τ單獨(dú)作用）

在以的坐標(biāo)系中為一個(gè)單位圓

28第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月∴圓弧AM‘B任何一點(diǎn)即代表一對(duì)極限應(yīng)力σa'和τa'，如果工作應(yīng)力點(diǎn)M（）在極限圓以?xún)?nèi)，則是安全的。M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力點(diǎn)M'確定時(shí)，一般認(rèn)為比值不變（多數(shù)情況如此），∴M'點(diǎn)在OM直線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上，如圖所示M'強(qiáng)度條件為：

——零件只受對(duì)稱(chēng)循環(huán)切應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)

——零件只受對(duì)稱(chēng)循環(huán)正應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)29第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2.4機(jī)械零件的表面接觸疲勞強(qiáng)度高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線(xiàn)接觸→實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱(chēng)為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱(chēng)為接觸強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫