机械零件的疲劳强度设计.pptx

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1、概 述 2、疲劳曲线和极限应力图 3、影响零件疲劳强度的主要因素 4、受恒幅循环应力时零件的疲劳强度 5、受变幅循环应力时零件的疲劳强度

机械零件在循环应力作用下的疲劳破坏是工程实践中常见的失效形式，其突发性与隐蔽性对设备安全构成重大威胁。疲劳强度设计旨在通过科学方法评估零件在变应力条件下的可靠性，预防因疲劳累积损伤导致的失效。

本文机械知网从基础概念出发，系统总结机械零件疲劳强度设计的关键知识点，涵盖疲劳破坏机理、曲线与应力图、影响因素及不同应力条件下的设计方法。

1. 什么是疲劳破坏

1.1 疲劳破坏的定义与特点

疲劳破坏指零件在低于材料屈服极限的循环应力作用下，因累积损伤导致的断裂。其特点包括：（1）断裂应力远低于静强度极限；（2）断口呈现疲劳区（光滑裂纹扩展区）与脆性断裂区；（3）破坏过程缓慢，经历裂纹萌生、扩展至最终断裂三个阶段；（4）脆性断裂无显著塑性变形，具有突发性和危险性。

1.2 循环应力类型

循环应力可通过五个参数描述（σmax、σmin、σm、σa、r），常见类型包括：

- 恒幅循环应力（应力幅值恒定）；

- 变幅循环应力（幅值随时间变化，分为规律性与随机性）；

- 对称循环（r=-1，如旋转轴）；

- 脉动循环（r=0，如弹簧）；

- 非对称循环（r介于-1至0或0至1）。

2. 疲劳曲线与极限应力图

2.1 疲劳曲线（S-N曲线）

S-N曲线反映材料疲劳极限（σr）与循环次数（N）的关系。典型曲线分为两个区域：

- 无限寿命区：N≥N0（循环基数）时，曲线水平，σr趋于常数（持久极限σ-1），设计时可认为零件可承受无限次循环而不失效；

- 有限寿命区：N＜N0时，σr随N增加而下降，常用幂函数σrN·N^m=C描述，寿命系数K=σr/σ-1用于有限寿命设计。

2.2 极限应力图

用于描述不同应力比下的疲劳极限，典型为σa-σm图：

- 高塑性材料：AD线（疲劳强度线）+GD线（屈服强度线），A点为对称循环极限，B点为脉动循环极限；

- 低塑性材料或铸铁：简化直线AC，忽略屈服阶段；

- 图中工作应力点需位于安全区内，超出则可能失效。

3. 影响零件疲劳强度的主要因素

3.1 应力集中（Kσ）

零件几何突变（如孔、槽、圆角）导致局部应力集中，降低疲劳强度。理论应力集中系数Kt反映弹性应力峰值，实际影响由有效应力集中系数Kσ（考虑材料塑性）量化。

3.2 尺寸效应（εσ）

大尺寸零件因晶粒粗化、缺陷概率增加及表面硬化层相对薄弱，疲劳强度下降。尺寸系数εσ=σd/σd0（d为零件直径，d0为基准尺寸）用于修正。

3.3 表面状态（β）

表面粗糙度越高，微裂纹源越多，疲劳强度越低。表面强化处理（如喷丸、渗碳）或抛光可提升β值；腐蚀环境则加速表面损伤。

3.4 综合影响系数（K）

综合Kσ、εσ、β等因素，修正材料疲劳极限为零件疲劳极限：σ-1零件=σ-1材料/K。

4. 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度

4.1 安全系数法

校核危险截面的最大应力幅σa与许用应力[σa]：

- 安全系数S=σ-1零件/σa，需满足S≥[S]（许用安全系数）；

- 考虑应力集中、尺寸、表面状态后，σ-1零件=σ-1材料/K。

4.2 无限寿命设计

当N≥N0时，直接采用持久极限σ-1进行设计，避免有限寿命下的强度折减。

4.3 有限寿命设计

通过S-N曲线方程估算给定寿命N下的疲劳极限σrN，或采用寿命系数K=σ-1/σrN修正。

5. 受变幅循环应力时零件的疲劳强度

5.1 Miner线性累积损伤理论

核心思想：不同应力幅的损伤独立累积，总损伤D=∑(ni/Ni)，当D=1时失效。ni为某应力幅的循环次数，Ni为该应力幅下的疲劳寿命。

5.2 设计步骤

（1）分解应力谱：将变幅应力分解为多个恒幅块；

（2）计算各块损伤D=ni/Ni；

（3）求和判断：若D≤1，安全；若D＞1，过载损伤需调整设计。

5.3 等效应力法

将变幅应力转化为等效恒幅应力σe，常用方法包括：

- 雨流计数法统计应力循环；

- 基于Miner准则计算等效循环次数Ne；

- 用Ne与σe在S-N曲线上确定疲劳寿命。

6. 提高疲劳强度的设计策略

6.1 结构优化

- 减少应力集中：采用圆角过渡、避免尖角；

- 分散载荷：增设加强筋或优化载荷路径；

- 合理选材：高强度钢需注意缺口敏感性。

6.2 表面工程

- 表面强化：喷丸、滚压引入残余压应力；

- 涂层防护：抗腐蚀涂层延长裂纹萌生时间；

- 精密加工：降低表面粗糙度（Ra≤1.6μm）。

6.3 寿命管理

- 定期无损检测（如超声波探伤）监测裂纹；

- 动态应力监测与疲劳寿命预测系统。

7. 工程案例与注意事项

- 案例：齿轮传动设计中，齿根应力集中处需校核σa，采用齿面硬化处理提升β值；

- 注意事项：高温或腐蚀环境需修正疲劳极限，动态载荷需考虑频率影响。

机械零件的疲劳强度设计是确保设备长期可靠运行的核心环节。通过理解疲劳破坏机理、掌握S-N曲线与极限应力图的应用、量化应力集中与表面状态的影响，并结合Miner准则处理变幅应力，可有效提升设计安全性。

未来随着断裂力学与损伤力学的发展，疲劳强度设计将更精细化，助力机械系统向轻量化与长寿命方向演进。

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