機械抗疲勞設計

1、機械抗疲勞設計（一）,金屬被廣泛用來制作機器、兵刃、艦船、飛機等等。其實，金屬也有它的短處。在各種外力的反復作用下，可以產(chǎn)生疲勞，而且一旦產(chǎn)生疲勞就會因不能得到恢復而造成十分嚴重的后果。實踐證明，金屬疲勞已經(jīng)是十分普遍的現(xiàn)象。據(jù)150多年來的統(tǒng)計，金屬部件中有80％以上的損壞是由于疲勞而引起的。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。但由于技術的落后，還不能查明疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現(xiàn)之后，

2、使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，并且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。人類付出昂貴的代價才獲得了對材料疲勞的認識。二次大戰(zhàn)后，英國的德-哈維蘭飛機公司設計制造了彗星號民用噴氣飛機，經(jīng)過一年使用，1953年5月2日一架彗星號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體；1954年1月10日，另一架彗星號在地中海上空爆炸；不到3個月，又一架彗星號在羅馬起飛后在空中爆炸。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師進行了大量

3、的研究工作，終于確認罪魁禍首是座艙的疲勞裂紋。,1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴重后果。事后經(jīng)過調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因為一節(jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起。從而導致了這場近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生。什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強作用力時可以發(fā)生變形或斷裂，但這不是疲勞破壞。疲勞失效是指材料在正常工作情況下，在長期反復作用的應力下所發(fā)生的性能變化。這些應力的大小

4、并沒有超出材料能夠承受的范圍，但是長期反復的作用就會引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞并不是一開始就會被察覺的，它是一個緩慢的發(fā)展過程。例如一條發(fā)動機曲軸可以在投入運行時間不太長的時候就產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來的裂紋會不斷擴大，直到曲軸忽然斷裂。就像人由于長期工作積累的疲勞而一朝病倒。,金屬疲勞是因為金屬內(nèi)部結構并不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區(qū)。與此同時，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在交變應

5、力的持續(xù)作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時，金屬構件就會全部毀壞?，F(xiàn)代的機械設計已經(jīng)廣泛采用“疲勞壽命”方法，設計階段已經(jīng)充分考慮了材料的疲勞問題。但是，正如人體的疲勞因人而異，機器的疲勞是因機而異的。同一種型號的汽車，發(fā)生疲勞破壞的情況可能相差很遠。有的到了報廢的年限，疲勞程度還不太嚴重；有的尚在壽命期限內(nèi)，卻發(fā)生了疲勞破壞。在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法

6、。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。,隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)“金屬免疫療法”新技術，通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構件上，應盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發(fā)生銹蝕。對產(chǎn)生震動的機械設備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內(nèi)部結構的檢測，對防止金屬疲勞也很有好

7、處。金屬疲勞所產(chǎn)生的裂紋會給人類帶來災難。然而，也有另外的妙用?，F(xiàn)在，利用金屬疲勞斷裂特性制造的應力斷料機已經(jīng)誕生?？梢詫Ω鞣N性能的金屬和非金屬在某一切口產(chǎn)生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要1―2秒鐘的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。,第一節(jié)概述,一 疲勞破壞的概念,1.疲勞破壞,材料在交變應力的作用下，局部造成永久性的形變，從而產(chǎn)生裂紋并擴展最終導致斷裂的現(xiàn)象。,2.疲勞破壞的典型斷口形貌,,

8、,3.疲勞破壞的過程,4.疲勞破壞的必要條件----------疲勞三要素,（1）循環(huán)變應力：------促使裂紋形成。（2）拉應力：------使裂紋擴展。（3）塑性變形：------促使裂紋形成并擴展。,二應力的類型和參數(shù),應力,穩(wěn)定循環(huán)變應力,變應力,不穩(wěn)定循環(huán)變應力,,,隨機變應力,,靜應力,1.應力的分類：,,,,,,,對稱循環(huán)變應力,脈動循環(huán)變應力,非對稱循環(huán)變應力,靜應力,O,O,,O,O,2.應力的描述------

9、應力譜（載荷譜）,3.應力的參數(shù)：,循環(huán)特征：,——表示應力變化的情況,平均應力：,應 力 幅：,3.應力的參數(shù)：,應力的特征值:,對稱循環(huán)— r =,－1；,脈動循環(huán)— r =,0；,非對稱循環(huán)—,r≠ 0 且 | r | ≠ 1;,靜應力— r =,+1,對稱循環(huán):σm= 0; σa=σmax,脈動循環(huán):σm=σa=σmax / 2,不同性質(zhì)應力的特征值:,三材料的S-N曲線,在疲勞試驗機上對一批相同的標準試樣進行對稱循環(huán)的變

10、應力疲勞試驗，得到最大破壞應力及對應的循環(huán)次數(shù)N，并以曲線的形式表示，即為材料的S-N曲線。（包括、曲線）。  圖中No為規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)基數(shù)；對應于No時的極限應力σr ，稱為材料的疲勞極限。,,,一般，一批相同的試樣在相同的載荷下進行試驗，取其中50%未發(fā)生疲勞破壞前的循環(huán)次數(shù)N為試驗次數(shù)。即可靠度R=0.5時的極限應力及其N作S-N曲線，故不同的可靠度下有不同的S-N曲線。,一般金屬的S-N曲線可分為

11、如下三段：,,低周疲勞區(qū),該段曲線特點：應力大、循環(huán)次數(shù)少，局部進入塑性變形區(qū)，故亦稱為應變疲勞區(qū)。該段的計算應采用應變值進行計算。,,高周疲勞區(qū),該段曲線特點：應力小、循環(huán)次數(shù)較大，亦稱為應力疲勞區(qū)。該段的計算應采用應力值進行計算。,,次疲勞區(qū),該段曲線只有延性材料（如鋼）才有，而對于脆性材料（如有色金屬及其合金等）則無此區(qū)域。該段曲線對應的應力稱為持久疲勞極限。,四材料的P-S-N曲線,不同的失效概率，材料的S-N曲線也不同。失

12、效概率按照正態(tài)分布，如圖所示。,圖中，p為失效概率。,三條曲線均可作為設計基準，對于重要零件的設計，可采用失效概率低（可靠度高）的曲線；一般零件的設計則采用50%的失效概率曲線。,可靠度：R=1-p,第二節(jié)材料的疲勞極限,一 疲勞極限圖（極限應力圖）,對于不同循環(huán)的試驗應力，材料的疲勞極限值也是不同的，因此，材料的 S-N 曲線不能反映出應力的循環(huán)特性 r 對材料的疲勞極限的影響，故有另外的表達形式：,在不同循環(huán)特性的應力下對

13、材料進行試驗，并以平均應力為橫坐標，以應力幅為縱坐標作圖，便得到其極限應力圖。,A點：,對稱循環(huán)變應力下的極限應力為：,B點：,靜應力下的極限應力為：,A點：,脈動循環(huán)變應力下的極限應力為：,1. 材料工作時許用范圍,對于塑性材料，還存在著屈服極限 ，由 作 線，,則 線上任意一點的最大應力（極限應力）均為,(1) 內(nèi)為材料的塑性變形所允許的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)材料不發(fā)生

14、塑性變形。,(2)OACB內(nèi)為材料疲勞破壞所允許的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)材料不發(fā)生疲勞破壞。,(3)AHG陰影------材料未發(fā)生顯著塑性變形，但已出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象；HBS陰影------材料未發(fā)生疲勞現(xiàn)象，但已出現(xiàn)塑性變形。,材料的許用范圍為：ACHSO,塑性材料的許用范圍為：ACH區(qū)域。,2. 疲勞極限圖的簡化------疲勞極限方程,(1) Gerber拋物線方程------以通過A、B兩點的拋物線近似代替,將橫坐標軸（ 軸

15、）移至A 點，則AB段的拋物線方程為：,通過A 點：,通過A 點：,通過A 點：,通過A 點：,通過B 點：,,,,此方程為二次曲線，計算較復雜，應用不便。,適用范圍：,(2) Goodman直線方程------以 直線近似代替,直線 的方程為：

16、,其中，斜率K為,適用范圍：,該方程失真較大，計算過于保守。,(3) Soderberg直線方程------以 直線近似代替,直線 的方程為：,其中，斜率K為,適用范圍：,該方程計算更加過于保守。,(4) 折線方程------以 和 折線代替,a) 線為屈服極限，其上處處有：,b) 線為疲勞極限，且通過 A

17、，C 兩點。,該段直線方程為：,斜率K為,令：,稱為等效系數(shù)（將平均應力折合為應力幅的系數(shù)）。,則上式化為：,綜合以上可得：,二 疲勞極限圖,以平均應力為橫坐標，以最大應力（及最小應力） 為縱坐標作圖。,該圖并非由專門試驗得出，而是由前者轉(zhuǎn)換而來，目的是直接反映 （或 ）對材料疲勞極限的影響。,其可行域即為曲線ABCB/A/所圍成

18、的區(qū)域。,實際設計時，設計方程可用相應折線代替；剪應力方程亦可參照上述過程建立。,,三 疲勞極限的經(jīng)驗公式,各種材料的疲勞極限均應由其疲勞試驗求得，并載入材料的機械性能數(shù)據(jù)表中以便使用。當缺乏某種材料的疲勞極限值時，可以根據(jù)其靜強度極限來估算，即利用經(jīng)驗公式計算出其疲勞極限值。這些公式是根據(jù)多種光試樣試驗資料經(jīng)統(tǒng)計得出。,第三節(jié)疲勞損傷積累理論,累積損傷是有限壽命設計的核心問題，由于它對疲勞設計的重要性，幾十年來一直是許多疲勞學者

19、孜孜不倦進行研究的中心問題之一。疲勞損傷是一個累積損傷的過程。對于等幅交變應力，可用?—N曲線和?m —?a曲線以表示在不同應力水平下達到疲勞破壞所需要的循環(huán)次數(shù)。同樣，對于實際的零件或構件等，也可通過試驗直接測定零件的疲勞曲線。但應當指出：只有在一個應力水平下循環(huán)加載才能直接用?—N曲線來估計零件壽命。如果在兩個或更多個應力水平下循環(huán)加載，就無法直接用?—N曲線來估計零件的壽命了。例如零件在兩個應力水平下加載，用?—N曲線我們可確定

20、?l作用下到破壞時的循環(huán)次數(shù)為N1，在?2作用下，到破壞時的循環(huán)次數(shù)為N2；但我們無法直接知道在?l和?2聯(lián)合作用下(兩者之組合可取多種多樣)，零件的壽命到底是多少。,但是，多數(shù)零部件在工作中所承受的循環(huán)載荷是變幅的，有些是有規(guī)率變化的，有些是隨機變化的。例如內(nèi)燃上曲軸的載荷隨汽缸的工作情況而變化；軋鋼機機架上的載荷隨不同的軋制道次而變化；切削機床的載荷隨加工對象及粗精加工等不同而異；還有鍛壓機、起重機等的載荷也隨工況不同而異。汽車、拖

21、拉機、工程機械和農(nóng)業(yè)機械的傳動軸，由于道路不平、土質(zhì)變化而引起的載荷變化就更為復雜。對于承受變幅載荷的零部件如何進行疲勞設計，如何使用前述光試件在等幅應力下由試驗測得的?—N 疲勞曲線，這是機械設計者必須要解決的一個重要實際問題。為了估算變幅應力作用下的零件的疲勞壽命，除了?—N 疲勞曲線外，還必須借助于疲勞損傷積累理論。這個理論認為：“零件在變應力作用下由產(chǎn)生裂紋到破壞的過程中，當材料承受一定大小變應力（接近或大于疲勞極限)時，每一

22、循環(huán)都使材料內(nèi)部產(chǎn)生一定量損傷，這個損傷是逐步累積的，當損傷累積到臨界值時發(fā)生破壞”。,最早進行累積損傷研究的學者是德國人Palmgrem。他于1924年在估算滾動軸承的壽命時，假設損傷積累與轉(zhuǎn)動次數(shù)成線性關系，首先提出了疲勞損傷積累是線性的假設。其后，美國人Miner于1945年又將此理論公式化，形成了著名的Palmgrem—Miner線性累積損傷法則。由于此法則形式簡單，使用方便，因此在工程上得到了廣泛應用。,疲勞損傷積累問題的研究

23、，主要是通過疲勞試驗進行，早期的疲勞試驗均采用簡單的兩級應力試驗，即在給定的 下作用循環(huán)次數(shù) （ ），再在 下作用 次（ ），直到試樣疲勞破壞為止?，F(xiàn)代研究手段則多采用計算機程序控制加載，模擬隨機載荷過程進行。,疲勞損傷積累理論是建立在對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應力的實驗資料的基礎上的。因此，對于承受近似規(guī)律性不穩(wěn)定變應力的零件可以根據(jù)這一理論進行計算。如果應用應力的等效轉(zhuǎn)化概念，也可把它推廣到非對稱循環(huán)的不穩(wěn)定

24、變應力的計算中去。,一、疲勞損傷積累的概念,當材料承受高于其疲勞極限的應力時，每一循環(huán)都將使材料產(chǎn)生一定量的損傷，該損傷能積累，達到其臨界值時就會發(fā)生破壞。----------疲勞損傷積累理論（假說）,對于疲勞積累損傷規(guī)律，人們從宏觀到微觀已經(jīng)進行過多年研究，提出了不下數(shù)十種累積損傷假設。但在工程中真正有實用價值并被采納應用的并不多。下面重點介紹最常用的“線性損傷積累理論”。然后介紹一些其它的損傷積累理論或假說。,二、疲勞損傷積累的線性

25、方程式,設作用于試樣的變應力為 ，作用的循環(huán)次數(shù)為 ，該應力水平下的極限壽命為 。,為其疲勞破壞的條件，故：,令D為試件損傷極限（臨界值），故有：,由實驗證實：當變應力σi＜0.7σ-1時不起損傷作用；即σi＜0.7σ-1的各個應力，每循環(huán)一次就造成一次壽命損失，則應力σi經(jīng)ni次循環(huán)所造成的損傷為其臨界破壞時的(ni/Ni)倍。,---Palmgrem-Miner定理,該假設為德國人Palmg

26、rem于1924年首先提出（用于滾動軸承計算），美國人Miner又于1945年重新在試驗的基礎上完善。式中，D值無物理意義，可理解為疲勞裂紋的臨界長度。英國的Forrest等人的大量試驗研究（包括二級載荷及程序加載試驗），其數(shù)據(jù)發(fā)表于1962年牛津版《Fatigue of Metals》，,Miner用22根試件在二、三、四級應力水平下進行了累積損傷試驗。試驗結果表明：應力比（循環(huán)特征）r＝0.2的11根試件的循環(huán)比 的平均值為

27、0.98，應力比r＝-0.2、+0.2、+0.5的11根試件在二級或三級應力水平下的循環(huán)比平均值為1.05，全部22根試件的循環(huán)比平均值為1.01，其循環(huán)比 的變化范圍為0.61~1.45。,數(shù)據(jù)有以下平均統(tǒng)計規(guī)律：,并歸納出以下特征：,對鋼及其合金，有： （包括光試樣和有缺口試樣）；對鋁合金（兩級應力），有：

28、 。,（1）載荷 幅值相差不大時，公式基本正確；,（2）對稱循環(huán)變應力加載時， 即破壞，此式不安全；,（3）非對稱循環(huán)變應力加載時， ，此式偏于保守；,（4）當 時，有 ，,這是由于材料首先在大載荷下產(chǎn)生裂紋，然后載荷序列中小于其疲勞極限的應力也開始起作用，導

29、致提前破壞。,（5）當 時，有 ，,這是由于次負荷（ 的載荷）運轉(zhuǎn)一定次數(shù)后首先會強化材料，推遲裂紋產(chǎn)生，故不易疲勞。這也是實際使用時機器應采取的工作方式。另外，機器空載跑合的另一目的亦如此。,（6）對于程序加載的試驗結果的分析顯示，轉(zhuǎn)動彎曲的疲勞損傷積累遠小于1；波動拉伸的損傷則為：,鄭州機械研究所與浙

30、江大學兩單位于1984—1986年間對疲勞累積損傷問題進行了系統(tǒng)的試驗研究工作。研究選用以下三種典型材料共2050根試樣進行了疲勞試驗研究：1)塑性好的軟鋼—20鋼(退火)和16Mn(軋態(tài))；2)加工硬化性能較好的中碳鋼— 45鋼(正火)；3）塑性較差的高強鋼—60Si2Mn(淬火后中溫回火)。試驗研究以旋轉(zhuǎn)彎曲試驗為主，并輔以波動拉伸試驗(r＝0.1)。試樣采用漏斗形試樣和缺口根部半徑為r＝4.25mm的缺口試樣。研究方法以二級損傷試

31、驗為主，輔以二級周期損傷試驗。為了研究低于疲勞極限的應力的影響還進行了損傷極限試驗。試驗數(shù)據(jù)見表。,線性累積損傷理論存在著一些缺點，有些是帶有根本性的缺點：例如線性累積損傷理論根本沒有考慮一個較復雜的載荷譜中各級載荷的相互影響；它不能計及低于持久極限的低應力所造成的損傷，也不能計及高應力引起的殘余應力及應變硬化(或軟化)等因素的有利或有害的影響等。因此，用線性損傷積累理論來估算壽命，其結果可以相差很大。 由于線性累積損傷理論存在上述種

32、種問題，就必然導致理論計算結果與實際壽命有較大出入。為此，用這種線性累積損傷理論計算疲勞壽命只能稱為“估算”。為使估算的壽命符合實際壽命，國外曾對中的系數(shù)值作過不少研究，改用以下線性累積損傷的破壞條件：,來表示：在飛機設計中，建議對典型飛機結構部件(如機翼等)D=1.5，對零件仍用D=1。也有人為了安全，建議取D＝0.5或更低的值。由于理論本身存在的問題，事實上難以給出一個適用一切情況的統(tǒng)一的D值。,盡管線性累積損傷理論有上述嚴重缺

33、點，但由于它簡單明了，使用方便，并有一定可靠性，所以工程上仍得到較為廣泛的應用。,三、修正線性累積損傷理論,最早提出的線性累積損傷理論存在上述的各種問題和不足。為建立更加完善的累積損傷理論，人們對復雜交變載荷作用下的疲勞損傷規(guī)律進行了大量研究。為了保持線性累積損傷理論便于應用的優(yōu)點，又要克服其未計及應力相互影響等缺點，目前工程上應用較多的是“修正線性累積損傷理論”。從不同的角度出發(fā)，可以得到不同的修正理論。其中一個重要途徑是對?—N曲線

34、進行修正。下面介紹一種較有希望，并在我國已有實際應用的Corten—Dolan修正線性累積損傷理論。此理論是1956年提出來的。他們認為疲勞損傷可以想像為裂紋的累積和聯(lián)合，并且與損傷核心數(shù)m及裂紋擴展速率有關。對于由給定應力下所產(chǎn)生的疲勞損傷D可用下式表示：,Corten和Dolan認為：對于所有應力歷程，疲勞破壞時的總損傷Df對于給定的零件是一個常數(shù)，所以當同一個零件分別施加?l和?2時，其總損傷分別可表示為：,由圖看出：它表示了疲勞

35、損傷累積的單調(diào)遞增函數(shù)，損傷速度隨循環(huán)次數(shù)N的增加而增大，應力水平高的曲線，其損傷速度大于應力水平低的曲線。,現(xiàn)在來研究當應力?l和?2交替變化時，疲勞損傷積累的發(fā)展過程。如果疲勞過程是在?l 和?2作用下交替變化，且假設?l >?2，則認為核心數(shù)僅決定于較大的應力?l ，即m2=m1，且可假設a1=a2=a；若在?l 和?2 交替作用下零件直到破壞的總循環(huán)次數(shù)為Ng；應力?l 的循環(huán)數(shù)百分比為?1，則?2 的循環(huán)數(shù)百分比為（1-

36、?1)，經(jīng)一些簡化，可得兩級試驗中的壽命估算公式為：,比值與應力比有關，即：,d為材料常數(shù)，由試驗決定，代入上式：,這就是Corten—Dolan在兩級加載下的累積損傷理論計算公式。把它推廣到多級加載情況（如K級)時有：,式中： Ng——多級變應力作用下，直到破壞的總循環(huán)數(shù)； N1——在最大變應力?l作用下的破壞循環(huán)數(shù)； ?l——多級變應力中的最大變應力； ?1——變應力?l下的循環(huán)百分數(shù)(i＝1，2，…，k)； d

37、——由實驗確定。下列材料在兩級重復載荷情況下得到的d值為：硬拉鋼，d ＝5.8；高強度鋼，d＝4.8；鋁合金(LY12，LC9)，d＝5.8。,事實上，對,稍加整理后，可得：,此式與線性累積損傷公式?（ni/Ni)=1很類似，這里?iNg相當于ni， Ni(?l/ ?i )d相當于Ni，即,或,兩邊取對數(shù)，得,由此可看出：在雙對數(shù)坐標中，應力與壽命成線性關系，此直線斜率與材料常數(shù)構d關。也就是說這個累積損傷理論，在雙對數(shù)坐標上的?—N

38、曲線應成線性關系，這一結論對于相當一部分工程材料是符合的。,四、疲勞損傷積累的指數(shù)方程式,由于線性方程不精確，不能解釋上述現(xiàn)象，故有研究者提出指數(shù)方程式。,設損傷程度為：,兩級載荷試驗，則有：,,,1 若載荷遞減，即有,,則由于,,載荷作用路線為：,此時有,成立。,2 若載荷遞增，即有,,則由于,,載荷作用路線為：,此時有,成立。,當a＝b，得線性累積損傷理論?（ni/Ni)=1?！案摺汀眱杉壴囼炛?（ni/Ni) <

39、1 ；“低—高”試驗?（ni/Ni) ＞l，這一結論與光試件的累積損傷試驗數(shù)據(jù)的趨勢相符合，見下表。,該指數(shù)方程式能較好地解釋前述試驗特征（4）、（5），但方程較為復雜，且缺乏相關的工程數(shù)據(jù)，因而未能得到廣泛的應用。,第四節(jié)影響零件疲勞極限的因素,材料的疲勞試驗一般均采用一定尺寸的標準光試樣，在實驗室條件下利用穩(wěn)定載荷試驗得到。當材料被以各種加工方式加工成各種形狀的零件，并在實際中工作時，其工作條件完全不同于試驗條件，必然會對材料的疲

40、勞極限帶來很大程度上的削弱。因此，對于零件進行疲勞強度計算時，不能直接應用零件材料的疲勞極限值，而必須考慮實際中諸多因素的不利影響，對其加以必要的修正。,一 應力集中,應力集中,在零件剖面的幾何形狀不連續(xù)之處(孔、圓角、鍵槽、螺紋等)或緊配合處，局部應力要遠遠大于名義應力，這種現(xiàn)象稱為應力集中。,可由彈性力學解析法或光彈試驗等方法求得。,應力集中的存在，疲勞極限相對有所降低。應力集中的影響用應力集中系數(shù)K?(或K?)來考慮。,1.

41、 理論應力集中系數(shù),,材料在彈性范圍內(nèi),其值只取決于幾何形狀，亦稱為形狀系數(shù)?？捎墒謨圆槿　?2. 有效應力集中系數(shù)K,,材料出現(xiàn)局部塑性變形,產(chǎn)生應力集中后使得零件局部峰值應力常常超過其屈服極限，使零件局部發(fā)生塑性變形,導致應力重新分配，造成實際局部峰值應力低于其理論值，故引入有效應力集中系數(shù)。定義為：,對于對稱循環(huán)變應力（r=-1),對于脈動循環(huán)變應力（r=0),討論：,（1）,（2）,3. 材料敏感系數(shù)q,一般有,，為了估算

42、 與 的差別，引入 ，且令,q值為相對量比值，可以認為基本上與缺口形狀無關，只決定于材料。不同的材料對應力集中的敏感程度也不一樣。,一般 常?。?討論：,（1）,（2）,4. 應力集中與圓角半徑的關系------Peterson公式,Peterson公式由下式給出：,高強度鋼對應力集中更敏感。,,結論：,二幾何尺寸,尺寸效應:,其它條件相同(包括剖面上的應力大小)，零件剖面的絕對尺寸越大，其疲勞極限就越低。,1933

43、年Faulhaber研究和金鋼試樣時，將其直徑由7.5mm增至27mm時，發(fā)現(xiàn)其疲勞極限降低了10%~15%，解釋為尺寸增大缺陷增多。,剖面絕對尺寸對疲勞極限的影響，通過采用絕對尺寸系數(shù)??(或??)來考慮 ，定義為：,即：,鋼零件的尺寸系數(shù),(1) 尺寸加大，疲勞極限降低。d=0~100mm時斜率較大，應控制其尺寸；(2)高強度的合金鋼比低強度的碳鋼尺寸影響大。,(1) 尺寸加大，疲勞極限降低。d=0~50mm時斜率較大，應控制其尺

44、寸；(2)高強度的鑄鐵比低強度的鑄鐵尺寸影響大。,,,討論：,(1) 尺寸加大，疲勞極限降低；（大尺寸試件缺陷多，對拉壓疲勞影響不大，對彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞影響較大。尺寸大應力梯度小。裂紋易發(fā)展；尺寸小而應力梯度大，裂紋不易發(fā)展。）(2)高強度鋼（鑄鐵）比低強度的鋼（鑄鐵）尺寸影響大；(3)與應力集中有關，尺寸加大，應力集中亦加大。,結論：,三表面品質(zhì),表面品質(zhì)情況對零件的疲勞極限影響較大。,1. 表面加工的影響：,表面加工的影響用

45、來考慮，定義為：,討論：,（1）,（2）,粗糙度應盡可能??；,盡可能選用中低強度材料；采用高強度鋼制造零件時，應采用精磨或拋光工藝。,2. 表面腐蝕的影響：,腐蝕環(huán)境中裂紋數(shù)目多，應力作用頻率有影響。表面腐蝕的影響用來考慮，定義為：,3. 表面強化的影響：,強化目的:,提高零件表層的強度性能，并在表層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應力（可抵消一部分工作拉應力），阻止裂紋的產(chǎn)生及擴展。,各種表面強化工藝的殘余應力分布,噴丸工藝和輥壓工藝的強化作用,輥壓工

46、藝的強化機理,各種表面敷層法對零件疲勞極限的影響,表面強化引入 來考慮，定義為：,（2）,綜上所述，一般取：,且有：,討論：,（1）,2. 對于變應力：,可以將 作分解：,其中， 為靜應力成分，故：,而 則受 、 及 的影響，考慮到有：,,四零件的疲勞極限,1. 對于靜應力：,即為材料靜強度極限；,不受 、 和