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1、機械強度與可靠性機械強度與可靠性西南交通大學電子講義第第3章章 影響機械零件疲勞強度的因素影響機械零件疲勞強度的因素1機械強度與可靠性機械強度與可靠性第3章 疲勞強度影響因素 中國歷史上吸煙的歷史和現(xiàn)狀、所采取的措施以及由此帶來的痛苦和災難，可以進一步了解吸煙對人民健康的危害，提高師生的控煙意識概述概述q材料的疲勞極限和材料的疲勞極限和S-N曲線只能代表標準光滑試樣的疲勞性曲線只能代表標準光滑試樣的疲勞性能能,實際零件的尺寸、形狀和表面狀況各式各樣，與標準試實際零件的尺寸、形狀和表面狀況各式各樣，與標準試件差別很大。件差別很大。q影響機械零件疲勞強度的因素很多，其中最主要的是形狀、影響機械零件

2、疲勞強度的因素很多，其中最主要的是形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、復合應力、加載頻率、應力波尺寸、表面狀況、平均應力、復合應力、加載頻率、應力波形、停歇、腐蝕介質和溫度等。形、停歇、腐蝕介質和溫度等。q本章主要介紹形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、加載頻率、本章主要介紹形狀、尺寸、表面狀況、平均應力、加載頻率、應力波形與停歇對疲勞強度的影響。應力波形與停歇對疲勞強度的影響。2機械強度與可靠性機械強度與可靠性第3章 疲勞強度影響因素 中國歷史上吸煙的歷史和現(xiàn)狀、所采取的措施以及由此帶來的痛苦和災難，可以進一步了解吸煙對人民健康的危害，提高師生的控煙意識3.1 形狀因素形狀因素q應力集中應力集中v結

3、構受力時，其截面突變的地方（如臺階、開孔、榫槽等）結構受力時，其截面突變的地方（如臺階、開孔、榫槽等）會出現(xiàn)局部應力增大的現(xiàn)象，稱為應力集中。會出現(xiàn)局部應力增大的現(xiàn)象，稱為應力集中。v應力集中對靜強度的影響應力集中對靜強度的影響與材料性質有關。對脆性材料影響較大，對塑性材料影響小。塑性材料在破壞前有一個宏觀的塑性變形過程，使零件上的應力重新分配，自動趨于均勻化。因此應力集中對塑性材料的靜強度影響小。v應力集中對疲勞強度的影響應力集中對疲勞強度的影響疲勞破壞事故和試驗表明，疲勞源總是出現(xiàn)在應力集中的地方，應力集中使結構的疲勞強度降低。疲勞破壞時截面上的名義應力未達到屈服極限，而局部應力高導致屈服

4、，使疲勞強度降低，為結構的薄弱環(huán)節(jié)。疲勞設計必須考慮應力集中的影響。3一一.理論應力集中系數(shù)理論應力集中系數(shù)q應力集中使零件的局部應力提高，在缺口或其他應力集中處的局部應力應力集中使零件的局部應力提高，在缺口或其他應力集中處的局部應力與名義應力的比值，稱為理論應力集中系數(shù)。與名義應力的比值，稱為理論應力集中系數(shù)。v理論應力集中系數(shù)表示在靜載荷的作用下，構件局部應力的嚴重程度。理論應力集中系數(shù)表示在靜載荷的作用下，構件局部應力的嚴重程度。v用用Kt來表示。來表示。v一般情況下一般情況下Kt值可由手冊上的圖表查得。值可由手冊上的圖表查得。vKt值與構件的幾何形狀有關，又稱為形狀系數(shù)。值與構件的幾何

5、形狀有關，又稱為形狀系數(shù)。4二二.有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù)q無應力集中試樣的疲勞極限與和其凈截面尺寸及終加工方法相同的有應力無應力集中試樣的疲勞極限與和其凈截面尺寸及終加工方法相同的有應力集中試樣的疲勞極限之比，叫做有效應力集中系數(shù)。集中試樣的疲勞極限之比，叫做有效應力集中系數(shù)?？梢员硎緸榭梢员硎緸?v有效應力集中系數(shù)主要用來表征應力集中對疲勞強度的降低作用有效應力集中系數(shù)主要用來表征應力集中對疲勞強度的降低作用v由于有缺口，使局部應力提高的倍數(shù)為由于有缺口，使局部應力提高的倍數(shù)為Kt，使疲勞強度降低的倍數(shù)為，使疲勞強度降低的倍數(shù)為Kf。國外，通常把有效應力集中系數(shù)稱為疲勞缺口系數(shù)，并

6、常用Kf統(tǒng)一表示正應力和切應力下的疲勞缺口系數(shù)。v有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù)(Kf)的其他叫法：疲勞缺口系數(shù)、疲勞強度降低系數(shù)的其他叫法：疲勞缺口系數(shù)、疲勞強度降低系數(shù)。5q確定有效應力集中系數(shù)Kf的方法v疲勞試驗法。根據(jù)Kf的定義直接進行疲勞試驗，得到相關的曲線（只適用于一定的形狀和材料）v影響系數(shù)法。根據(jù)零件的材料、形狀等影響因素，分別計算影響系數(shù)，再按下面的經驗公式計算（日本常用該方法）：v敏感系數(shù)法。世界通用的方法。利用理論應力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口敏感系數(shù)q來計算疲勞缺口系數(shù)。（比較重要的公式）v其他方法。如應力梯度法、L/G法、斷裂力學法等。（目前還不成熟）6q敏感系數(shù)q的確

7、定v敏感系數(shù)q是材料對應力集中敏感性的一種程度,q=01,由(3-4),得vq=1，此時Kf=Kt，表示材料對應力集中非常敏感。塑性較差的高強度鋼接近于1；vq=0，Kf=1,材料對應力集中沒有反應。如，鑄鐵。（鑄鐵內含大量的石墨雜質，相當于很尖銳的裂紋，其影響幾乎完全掩蓋了應力集中的影響）vq值與材料強度極限b有關，若b增大，則q增大；若晶粒度與材料性質不均勻，則q減??；q值還與缺口曲率半徑有關，r減小，q增大。vq值的確定方法有多種，工程上有許多計算公式和曲線。v常用的確定q值的方法諾伯公式（Neuber）（機械工程手冊推薦）彼特遜公式（Peterson）（英國疲勞設計準則推薦）常見材料的

8、敏感系數(shù)q的統(tǒng)計數(shù)值（表3-1）（略）7諾伯公式（諾伯公式（Neuber）式中，r為缺口半徑；A為參數(shù)，從圖3-2查出q值也可以直接從圖3-3查出8彼特遜公式（彼特遜公式（Peterson）9趙少卞和王忠保公式趙少卞和王忠保公式q趙少卞和王忠保等人用趙少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等鋼材對疲等鋼材對疲勞缺口系數(shù)進行了系統(tǒng)的實驗研究，提出的計算疲勞缺口系數(shù)的簡單的單參數(shù)計勞缺口系數(shù)進行了系統(tǒng)的實驗研究，提出的計算疲勞缺口系數(shù)的簡單的單參數(shù)計算公式：算公式：v式中，式中，A，b為與熱處理方式有關的常數(shù)；為與熱處理方式有關的常數(shù)；Q為相對應力梯度。為相對

9、應力梯度。熱處理方式熱處理方式Ab正火鋼0.4320.279熱軋鋼0.3360.345淬火后回火0.2900.152不同熱處理方式的不同熱處理方式的A,bA,b值值相對應力梯度相對應力梯度Q Q值按表值按表3-23-2計算計算10機械強度與可靠性機械強度與可靠性第3章 疲勞強度影響因素 中國歷史上吸煙的歷史和現(xiàn)狀、所采取的措施以及由此帶來的痛苦和災難，可以進一步了解吸煙對人民健康的危害，提高師生的控煙意識3.2 尺寸效應尺寸效應 零件或試樣的尺寸增大，則疲勞強度降低，這種疲勞強度隨尺寸增大而降低零件或試樣的尺寸增大，則疲勞強度降低，這種疲勞強度隨尺寸增大而降低的現(xiàn)象稱為尺寸效應。的現(xiàn)象稱為尺寸

10、效應。q尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)v尺寸尺寸系數(shù)系數(shù)定定義為義為：當：當應應力集中與力集中與終終加工情況相同加工情況相同時時，尺寸，尺寸為為d的大的大試樣試樣或零或零件的疲件的疲勞勞極限與極限與標標準直徑的準直徑的試樣試樣的疲的疲勞勞極限之比。即：極限之比。即：無缺口光滑大試樣對稱彎曲或扭轉疲勞極限標準尺寸試樣對稱彎曲或扭轉疲勞極限標準試樣直徑d0=610mm。中低強度鋼d0取9.5mm；高強度鋼d0取7.5mm或6mm11q尺寸效應機制（尺寸效應機制（目前還不完善目前還不完善）v工藝因素工藝因素大型零件的鑄造質量比小型零件差，大零件缺陷比小零件多；大截面零件的鍛造比或壓延比都比小零件??；大型零件熱處理

11、冷卻速度比小零件慢，淬透深度小；大型零件加工時的切削力、切削熱與小零件不同；大型零件的材質比小型零件差。以上因素，使大型零件的疲勞強度降低。v比例因素比例因素應力梯度。零件上應力分布不均勻，外層應力大，導致外層位移大，內層晶粒阻止外層位移。在相同外載荷下，大試樣的應力梯度小，名義應力低；小試樣則相反。統(tǒng)計因素。零件尺寸越大，出現(xiàn)薄弱晶粒和大缺陷的概率越大。q尺寸效應的影響（尺寸效應的影響（實驗結論，無理論證明實驗結論，無理論證明）v尺寸效應與加載方式有關。尺寸效應與加載方式有關。v鋼的強度越高，尺寸效應越大。鋼的強度越高，尺寸效應越大。v合金鋼的尺寸效應比碳鋼小，合金結構鋼與碳素結構鋼相同。合

12、金鋼的尺寸效應比碳鋼小，合金結構鋼與碳素結構鋼相同。v鑄鋼的尺寸敏感性比鍛鋼大。鑄鋼的尺寸敏感性比鍛鋼大。12q尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)的確定（的確定（目前主要采用實驗曲線來確定目前主要采用實驗曲線來確定）鍛鋼疲勞極限的尺寸系數(shù)光滑軸的彎曲尺寸系數(shù)13機械強度與可靠性機械強度與可靠性第3章 疲勞強度影響因素 中國歷史上吸煙的歷史和現(xiàn)狀、所采取的措施以及由此帶來的痛苦和災難，可以進一步了解吸煙對人民健康的危害，提高師生的控煙意識3.3 表面加工的影響表面加工的影響q表面狀態(tài)對疲勞強度有較大影響。裂紋常常從零件表面開始（最大應力一般發(fā)生在表面、表面上的缺陷一般最多）q影響機制v表面狀態(tài)主要指：表層組織結構

13、、表面應力狀態(tài)、粗糙度。q表面切削加工影響（表3-4）v表面層塑性變形應變硬化程度。（疲勞極限隨硬化程度的增加而提高）應變硬化層厚度。（厚度未超過彈塑性變形區(qū)厚度時，厚度與疲勞極限成正比；若超過，則無影響）應變硬化引起的殘余應力。（殘余壓應力提高彎曲疲勞極限，殘余拉應力降低拉伸疲勞極限）v表面層溫度通過三方面影響疲勞極限：殘余應力、時效程度、軟化程度。v表面粗糙度粗糙度增加，疲勞極限降低。（刀痕深度、切削刀痕銳度增加，疲勞極限降低）14q切削用量的影響v影響因素主要有：切削速度、進給量和切削深度。增加切削速度可使冷作硬化層厚度減小，增加進給量和切削深度使硬化層厚度增大。（對硬化程度及殘余應力的

14、影響類似）增加切削速度和進給量會使表面溫度降低，而增加切削深度則提高表面溫度。降低表面溫度可以減小殘余應力、減小時效程度及軟化程度；溫度升高則相反。切削速度的增加可以改善表面粗糙度，切削深度和進給量的增加將惡化粗糙度。切削用量具體的影響規(guī)律見表3-5q表面加工系數(shù)曲線v零件的表面狀況和環(huán)境對疲勞強度的影響用表面系數(shù)表示。表面系數(shù)分為三種：表面加工系數(shù)1、腐蝕系數(shù)2、表面強化系數(shù)3。15v表面加工系數(shù)表面加工系數(shù)1定義：具有某種加工表面的標準光滑試樣與磨光（拋光）標準光滑試樣的疲定義：具有某種加工表面的標準光滑試樣與磨光（拋光）標準光滑試樣的疲勞極限之比勞極限之比圖表。加工方法對疲勞強度的影響是

15、三種因素共同作用的結果，很難分別考圖表。加工方法對疲勞強度的影響是三種因素共同作用的結果，很難分別考慮各自的影響，一般根據(jù)實驗用圖表來表示。慮各自的影響，一般根據(jù)實驗用圖表來表示。l不同循環(huán)次數(shù)N下的1-sb關系曲線l不同循環(huán)次數(shù)N下的1-ss/sb關系曲線l不同加工方法下的1-sb關系曲線計計算公式算公式l彎曲與拉壓l扭轉v表面加工系數(shù)與疲表面加工系數(shù)與疲勞勞缺口系數(shù)的關系（缺口系數(shù)的關系（對對3-4式的修正式的修正）1扭轉交變應力下的表面加工系數(shù)a,b最終加工方法系數(shù)，與加工方法、循環(huán)次數(shù)有關16不同循不同循環(huán)環(huán)次數(shù)次數(shù)N下的下的1-s sb關系曲線關系曲線17不同循環(huán)次數(shù)不同循環(huán)次數(shù)N下

16、的下的1-s ss/s sb關系曲線關系曲線18不同加工方法下的不同加工方法下的1-s sb關系曲線關系曲線19機械強度與可靠性機械強度與可靠性第3章 疲勞強度影響因素 中國歷史上吸煙的歷史和現(xiàn)狀、所采取的措施以及由此帶來的痛苦和災難，可以進一步了解吸煙對人民健康的危害，提高師生的控煙意識3.4 平均應力的影響平均應力的影響q平均應力對疲勞強度影響的一般概念平均應力對疲勞強度影響的一般概念v決定零件疲勞強度的是應力幅。決定零件疲勞強度的是應力幅。v平均應力對疲勞強度的影響是第二位的，但仍有重要作用。平均應力對疲勞強度的影響是第二位的，但仍有重要作用。v一般情況，拉伸平均應力使極限應力幅減??；壓縮平均應力使極限一般情況，拉伸平均應力使極限應力幅減?。粔嚎s平均應力使極限應力幅增大。應力幅增大。v平均應力對正應力的影響比切應力要大。平均應力對正應力的影響比切應力要大。q極限應力線圖極限應力線圖v極限應力線圖用來表示平均應力對疲勞強度的影響極限應力線圖用來表示平均應力對疲勞強度的影響v在疲勞設計中，常用平均應力折算系數(shù)將平均應力折算為等效應力在疲勞設計中，常用平均應力折算系數(shù)將平均應力折算為等