機械零件的強度培訓課件

第三章機械零件的強度§3-1材料的疲勞強度§3-2機械零件的疲勞強度§3-3機械零件的抗斷裂強度§3-4機械零件的接觸強度§3-5機械零件可靠性設計簡介121988年德國高鐵事故34t靜應力：不隨時間變化或變化緩慢變應力：隨時間變化tt2穩(wěn)定循環(huán)變應力§3-1材料的疲勞強度5非穩(wěn)定循環(huán)變應力隨機變應力6σmax—最大應力σmin—最小應力σm—平均應力σa—應力幅r—應力比（循環(huán)特性）穩(wěn)定循環(huán)變應力的參數(shù)有5個，其中只有2個參數(shù)是獨立的。t71、非對稱循環(huán)變應力（-1<r<1）2、對稱循環(huán)變應力（r=-1）ota=maxminotamminmax83、脈動循環(huán)（r=0）otammaxt94、靜應力（r=1）1011例1.已知：max=200MPa，r=－0.5，求：min、a、m。例2.已知：a=80MPa，m=40MPa。求：max、min、r。12例1已知：max=200MPa，r=－0.5，求：min、a、m。解：13例2已知：a=80MPa，m=40MPa。求：max、min、r。解：材料的疲疲勞極限限σrN：在應力比比為r的循環(huán)變變應力作作用下，，應循環(huán)環(huán)N次后，材材料不發(fā)發(fā)生疲勞勞破壞所所能承受受的最大大應力σmax。材料的疲疲勞壽命命N：材料疲勞勞失效前前所經歷歷的應力力循環(huán)次次數(shù)。在疲勞強強度計算算中，材材料的極極限應力力σlim=σr。變應力下下零件的的的強度度準則為為σca≤σr。14材料的σ-N疲勞曲線線CBD有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)低周疲勞高周疲勞N0NNσσr104103OAσrN1516已知45鋼的疲勞勞極限-1=270MPa，疲勞曲曲線方程程的冪指指數(shù)m=9，應力循循環(huán)基數(shù)數(shù)N0=5×106次。求當當應力循循環(huán)次數(shù)數(shù)N=104次時，其其相應的的有限壽壽命疲勞勞極限為為MPa。17已知45鋼的疲勞勞極限-1=270MPa，疲勞曲曲線方程程的冪指指數(shù)m=9，應力循循環(huán)基數(shù)數(shù)N0=5×106次。求當當應力循循環(huán)次數(shù)數(shù)N=104次時，其其相應的的有限壽壽命疲勞勞極限為為MPa。不同應力力比r下的σ-N疲勞曲線線18σ0N104N0NCDNσmaxσ-1Nσ-1r=-1r=0r=0.4r=0，σr=σ0r=-1，σr=σ-1σ0.4Nσ0σ0.4O等壽命疲疲勞曲線線（某一給定定循環(huán)次次數(shù)）θ19M′等壽命疲疲勞曲線線σaσaσmσmθ20OM′M等壽命疲疲勞曲線線A′—對稱疲勞勞極限點點D′—脈動循環(huán)環(huán)疲勞極極限點F—強度極限限點C—屈服極限限點OCFD′A′45°s0/2sas0/2s-1sSsBsm21A′sasm45°45°OFCD′G′sSsBs0/2σ-1σ0/2折線以內內為疲勞勞和塑性性安全區(qū)區(qū)；折線以外外為疲勞勞和塑性性失效區(qū)區(qū)；工作應力力點離折折線越遠遠，安全全程度愈愈高。材料的極限應力力線圖（折線簡簡化）22材料的極限應力力線圖已知：σ-1，σ0，σs（循環(huán)次次數(shù)N=N0）作圖如下下：1）標標出出A＇(0，σ-1)，D＇(σ0/2,σ0/2)，C(σs,0)三點點；；2）連連接接A＇D＇并并延延長長；；3）過過C作與與橫橫軸軸成成135°°的直直線線與與A＇D＇連線線或或其其延延長長線線交于于G＇點點。。23γA

′σmσaC45°σ0/2OG′D′σ0/2σ-1σS24MNγA

′σmσaC45°σ0/2OG′D′σ0/2σ-1σSM

′-1<r<00<r<125γA

′σmσaC45°σ0/2OG′D′σ0/2σ-1σSM

′N′26γA

′σmσaC45°σ0/2OG′D′σ0/2σ-1σSM

′Mσaσm27NγA

′σmσaC45°σ0/2OG′D′σ0/2σ-1σSN′σmσa28作業(yè)業(yè)（（P45）3.2已知知材材料料的的σS=260MPa，σ-1=170MPa，φσ=0.2。試試繪繪制制此此材材料料的的極極限限應應力力線線圖圖。。29影響響機機械械零零件件疲疲勞勞極極限限的的因因素素1）應力力集集中中的影影響響：：kσ>１2）尺寸寸及及截截面面形形狀狀的影影響響：：εσ<１（（尺尺寸寸越越大大，，εσ越小?。?）表面面狀狀態(tài)態(tài)的影影響響：：加工工質質量量βσ<１（（加加工工質質量量越越高高，，βσ越大大））強化化因因素素βq>1綜合合影影響響系系數(shù)數(shù)Kσ30§3-2機械械零零件件的的疲疲勞勞強強度度零件件的的極極限限應應力力線線圖圖零件D′DG′A

′G

OA

σaσ0/2σ-1σ-1eσ0e/2σ0/2σS材料C45°45°σm31零件件的的極限限應應力力線線圖圖已知知：：σ-1，σ0，σs，Kσ（循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)N=N0時））作圖圖如如下下：：1）標標出出A（0，σ-1e），，D（σ0/2,σ0e/2），，C（σs,0）三三點點；；2）連連接接AD并延延長長；；3）過過C作與與橫橫軸軸成成135°°的直直線線與與AD延長長線線交于于G點。。32零件件的的極極限限應應力力線線圖圖零件D′DG′A

′G

OA

σaσ0/2σ-1σ-1eσ0e/2σ0/2σS材料C45°45°σmγγe33零件件的的極極限限應應力力線線圖圖零件D′DG′A

′G

OA

σaσ0/2σ-1σ-1eσ0e/2σ0/2σS材料C45°45°σmγγe341）應應力力比比r=Cσ-1eσaσmOA

M′MσmσaG

CσS單向向穩(wěn)穩(wěn)定定變變應應力力時時零零件件的的疲疲勞勞強強度度35σ-1eσaσmOA

N′NσmσaG

CσS36C'Csasmstsasmsminsmaxs'maxs'min2）平平均均應應力力σm=C37σmH

σ-1eσaσmOA

M′MσaG

CσS38σmH

σ-1eσaσmOA

N′NσaG

CσS39C'Csasmσtσmin3）最最小小應應力力σmin=C40σmI

J

σ-1eσaσmOA

M′MσminσaG

CσS45°41σmI

J

σ-1eσaσmOA

N′NσminσaG

CσS45°42σmin<0σ-1eσaσmσSA

M′Mσmσminσa45°G

OCI

J

43已知知：：某某零零件件材材料料的的機機械械性性能能為為σ-1=600MPa，σ0=1000MPa，σS=800MPa。（1）試試畫畫出出材材料料的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（2）如如果果疲疲勞勞強強度度綜綜合合影影響響系系數(shù)數(shù)Kσ=2.0，繪繪制制此此零零件件的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（3）若若零零件件所所受受的的最最大大應應力力σmax=500MPa，應應力力循循環(huán)環(huán)特特性性系系數(shù)數(shù)r=0.20，求求平平均均應應力力和和應應力力幅幅并并在在圖圖中中標標出出工工作作點點；；（4）在在上上述述情情況況下下零零件件的的計計算算安安全全系系數(shù)數(shù)為為多多少少？？44O800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaCA′D′45已知知：：某某零零件件材材料料的的機機械械性性能能為為σ-1=600MPa，σ0=1000MPa，σS=800MPa。（1）試試畫畫出出材材料料的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（2）如如果果疲疲勞勞強強度度綜綜合合影影響響系系數(shù)數(shù)Kσ=2.0，繪繪制制此此零零件件的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（3）若若零零件件所所受受的的最最大大應應力力σmax=500MPa，應應力力循循環(huán)環(huán)特特性性系系數(shù)數(shù)r=0.20，求求平平均均應應力力和和應應力力幅幅并并在在圖圖中中標標出出工工作作點點；；（4）在在上上述述情情況況下下零零件件的的計計算算安安全全系系數(shù)數(shù)為為多多少少？？46O800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaσ-1e(σ0/2,σ0e/2)300A′D′AD250C47已知知：：某某零零件件材材料料的的機機械械性性能能為為σ-1=600MPa，σ0=1000MPa，σS=800MPa。（1）試試畫畫出出材材料料的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（2）如如果果疲疲勞勞強強度度綜綜合合影影響響系系數(shù)數(shù)Kσ=2.0，繪繪制制此此零零件件的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（3）若若零零件件所所受受的的最最大大應應力力σmax=500MPa，應應力力循循環(huán)環(huán)特特性性系系數(shù)數(shù)r=0.20，求求平平均均應應力力和和應應力力幅幅并并在在圖圖中中標標出出工工作作點點；；（4）在在上上述述情情況況下下零零件件的的計計算算安安全全系系數(shù)數(shù)為為多多少少？？48解：（（3）49O800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaσ-1e(σ0/2,σ0e/2)300M200300D′AA′250DC50已知知：：某某零零件件材材料料的的機機械械性性能能為為σ-1=600MPa，σ0=1000MPa，σS=800MPa。（1）試試畫畫出出材材料料的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（2）如如果果疲疲勞勞強強度度綜綜合合影影響響系系數(shù)數(shù)Kσ=2.0，繪繪制制此此零零件件的的簡簡化化極極限限應應力力圖圖；；（3）若若零零件件所所受受的的最最大大應應力力σmax=500MPa，應應力力循循環(huán)環(huán)特特性性系系數(shù)數(shù)r=0.20，求求平平均均應應力力和和應應力力幅幅并并在在圖圖中中標標出出工工作作點點；；（4）在在上上述述情情況況下下零零件件的的計計算算安安全全系系數(shù)數(shù)為為多多少少？？511）r=0.2O800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaσ-1e(σ0/2,σ0e/2)300390260200300MM′D′AA′DC52解：（3）1）應力力比r=0.253O800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaσ-1e(σ0/2,σ0e/2)300390280200300MM′D′AA′DC2）σm=300MPa54解：（3）2）平均均應力力σm=300MPa553）σmin=100MPaO800600500500σSσ-1(σ0/2,σ0/2)σmσaσ-1e(σ0/2,σ0e/2)300360260200300MM′D′AA′DC563）最小小應力力σmin=100MPa57單向不不穩(wěn)定定變應應力下下零件件的疲疲勞強強度疲勞損損傷累累積假假說（（Miner法則））58正好發(fā)發(fā)生破破壞未發(fā)生生損壞壞Miner法則59強度條條件60已知：：材料料σ-1=350MPa，N0=107，m=6。500105nσ/MPa400600σ/MPa55010010410410410461損傷率率：500105nσ/MPa62總損傷傷率：：400600σ/MPa55010010410410410463在400MPa下還能能循環(huán)環(huán)多少少次才才損壞壞？400600σ/MPa55010410464已知：：材料料σ-1=350MPa，N0=107，m=6。雙向穩(wěn)穩(wěn)定變變應力力時的的疲勞勞強度度計算算零件同同時作作用同同相位位的法法向對對稱循循環(huán)穩(wěn)穩(wěn)定變變應力力σa和切向向對稱稱循環(huán)環(huán)穩(wěn)定定變應應力τaOD′C′DC65OD′C′DC66當零件件承受受不對對稱循循環(huán)的的雙向向穩(wěn)定定變應應力時時67已知：：轉軸軸單向向轉動動，軸軸的危危險截截面直直徑為為d=40mm，軸同同時承承受轉轉矩T=800N··m（轉矩矩脈動動循環(huán)環(huán)）和和彎矩矩M=300N··m（彎矩矩對稱稱循環(huán)環(huán)），，軸的的材料料σ-1=355MPa，τ-1=200MPa，Kσ=2.2，Kτ=1.8，φσ=0.2，φτ=0.1。求：在在彎矩矩和轉轉矩同同時作作用下下的計計算安安全系系數(shù)Sca。68轉軸彎彎曲應應力對對稱循循環(huán)：：雙向轉轉動轉轉軸扭扭切應應力為為對稱稱循環(huán)環(huán)：單向轉轉動轉轉軸扭扭切應應力為為脈動動循環(huán)環(huán)：69解：彎曲應應力扭切應應力7071已知：：某軸軸的軸軸肩尺尺寸為為D=54mm，d=45mm，r=3mm，表面面拋光光，未未作強強化處處理，，軸的的材料料性能能σS=260MPa，σB=560MPa，σ-1=170MPa，σ0=283MPa。計算該該軸肩肩的綜綜合影影響系系數(shù)。。727374457576已知：：某軸軸的軸軸肩尺尺寸為為D=70mm，d=65mm，r=2mm，表面面拋光光，未未作強強化處處理，，軸的的材料料性能能σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa，φσ=0.1，φτ=0.05，調質質處理理，磨磨削加加工，，不經經過強強化處處理。。作用用在軸軸上的的M=1.336××105N??mm，T=9.6××106N??mm。計算算軸肩肩處的的綜合合影響響系數(shù)數(shù)Kσ和軸的的計算算安全全系數(shù)數(shù)。77解：彎曲應應力扭切應應力綜合影影響系系數(shù)7879§3-3機械零零件的的抗斷斷裂強強度斷裂力力學：：低應力力脆斷斷問題題高強度度鋼材材和大大型焊焊接件件帶有裂裂紋或或尖缺缺口的的結構構斷裂力力學理理論：：應力強強度因因子KI：表征裂裂紋尖尖端應應力場場的強強度。。平面應應變斷斷裂韌韌度KIC：表征材材料阻阻止裂裂紋失失穩(wěn)擴擴展的的能力力。裂紋構構件安安全強強度準準則：：裂紋不不會失失穩(wěn)擴擴展：：KI<KIC裂紋失失穩(wěn)擴擴展：：KI≥KIC80§3-4機械零零件的的接觸觸強度度81ρ2ρ1σHσHbFn彈性模模量E大，材材料硬硬，則則接觸觸應力力σH大；寬度B大,曲率ρ∑大，則則接觸觸面積積大，，使接接觸應應力σH下降。。最大接接觸應應力（（赫茲茲應力力）82§3-5機械零零件可可靠性性設計計簡介介機械零零件可可靠性性設計計（概概論設設計））核心心思想想：將設計計變量量作為為隨機機變量量；以應力力-強度干干涉模模型為為基礎礎；以可靠靠度為為目標標機械零零件可可靠性性設計計（概概論設設計））分類類：可靠性性評估估或分分析問問題可靠性性設計計問題題83解：3.2已知材材料的的σS=260MPa，σ-1=170MPa，φσ=0.2。試繪繪制此此材料料的極極限應應力線線圖。。CG′D′σmσaσ0/2σ0/2σ-1OσSA

′843-3一圓圓軸軸的的軸軸肩肩尺尺寸寸為為D=72mm，d=62mm，r=3mm。材材料料為為40CrNi，其其強強度度極極限限σB=900MPa，屈屈服服極極限限σS=750MPa。試試計算算軸軸肩肩的的彎彎曲曲有有效效應應力力集集中中系系數(shù)數(shù)kσ。85解：：1）由由附附表表3-2（見見教教材材P40頁）），，采采用用線線性性插插值值法法，，查查取取軸軸肩肩圓圓角角處處的的理理論論應應力力集集中中系系數(shù)數(shù)ασ=1.98。86附表3-2軸肩圓圓角處處的理理論應應力集集中系系數(shù)（P40）871.201.161.100.042.092.052.000.051.980.101.621.611.59D/dr/d882）由附附圖3-1（見教教材P41頁），，采用用線性性插值值法，，查取取材料料的敏敏性系系數(shù)qσ=0.88。附圖3-1鋼材的的敏性性系數(shù)數(shù)（P41）893）計算算軸肩肩的彎彎曲有有效應應力集集中系系數(shù)kσ3-4圓軸軸軸肩處處的尺尺寸為為D=54mm，d=45mm，r=3mm。材料料的力力學系系能σS=260MPa，σ-1=170MPa，φσ=0.2，σB=420MPa。試繪繪制此此零件件的簡簡化等等壽命命疲勞勞曲線線。90解：1）由附附表3-2（見教教材P40頁），，采用用