机械抗疲劳设计1

机械抗疲劳设计（一）金属被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳，而且一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。人类付出昂贵的代价才获得了对材料疲劳的认识。二次大战后，英国的德-哈维兰飞机公司设计制造了彗星号民用喷气飞机，经过一年使用，1953年5月2日一架彗星号客机从印度加尔各答机场起飞后不久在半空中解体；1954年1月10日，另一架彗星号在地中海上空爆炸；不到3个月，又一架彗星号在罗马起飞后在空中爆炸。为了找到事故的原因，英国皇家航空研究院的工程师进行了大量的研究工作，终于确认罪魁祸首是座舱的疲劳裂纹。1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。什么是金属材料的疲劳？零件在受到超强作用力时可以发生变形或断裂，但这不是疲劳破坏。疲劳失效是指材料在正常工作情况下，在长期反复作用的应力下所发生的性能变化。这些应力的大小并没有超出材料能够承受的范围，但是长期反复的作用就会引起材料的疲劳。材料的疲劳破坏并不是一开始就会被察觉的，它是一个缓慢的发展过程。例如一条发动机曲轴可以在投入运行时间不太长的时候就产生很小的疲劳裂纹，这些肉眼看不出来的裂纹会不断扩大，直到曲轴忽然断裂。就像人由于长期工作积累的疲劳而一朝病倒。金属疲劳是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在交变应力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。现代的机械设计已经广泛采用“疲劳寿命”方法，设计阶段已经充分考虑了材料的疲劳问题。但是，正如人体的疲劳因人而异，机器的疲劳是因机而异的。同一种型号的汽车，发生疲劳破坏的情况可能相差很远。有的到了报废的年限，疲劳程度还不太严重；有的尚在寿命期限内，却发生了疲劳破坏。在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。第一节概述一疲劳破坏的概念1.疲劳破坏材料在交变应力的作用下，局部造成永久性的形变，从而产生裂纹并扩展最终导致断裂的现象。2.疲劳破坏的典型断口形貌疲劳断口裂纹扩展区瞬时断裂区由于裂纹断口的反复摩擦导致断口较光滑剩余承载面积不足产生沿晶界界面瞬时断裂，断裂截面较粗糙初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区轴3.疲劳破坏的过程应力集中处产生初始裂纹裂纹扩展瞬时断裂循环应力作用夹杂物和基体界面开裂（多相金属）滑移带开裂（纯金属或单相合金）晶界开裂（高温下）第一阶段与拉应力轴成45o方向扩展第二阶段垂直于拉应力轴方向扩展4.疲劳破坏的必要条件----------疲劳三要素（1）循环变应力：------促使裂纹形成。（2）拉应力：------使裂纹扩展。（3）塑性变形：------促使裂纹形成并扩展。二应力的类型和参数应力稳定循环变应力变应力不稳定循环变应力随机变应力静应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力1.应力的分类：对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力静应力2.应力的描述------应力谱（载荷谱）ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxminr应力循环特性：3.应力的参数：循环特征：maxminr——表示应力变化的情况平均应力：2minmaxm应力幅：2minmaxa3.应力的参数：应力的特征值:对称循环—r=－1；脉动循环—r=0；非对称循环—r≠0且|r|≠1;静应力—r=+1对称循环:σm=0;σa=σmax脉动循环:σm=σa=σmax/2不同性质应力的特征值:三材料的S-N曲线在疲劳试验机上对一批相同的标准试样进行对称循环的变应力疲劳试验，得到最大破坏应力及对应的循环次数N，并以曲线的形式表示，即为材料的S-N曲线。（包括、曲线）。图中No为规定的应力循环次数，称为循环基数；对应于No时的极限应力σr，称为材料的疲劳极限。NN0N0Nlg1s410N761010~N41/Nlim高周疲劳区低周疲劳次疲劳区高周疲劳区次疲劳低周疲劳区N50.R10.R90.R一般，一批相同的试样在相同的载荷下进行试验，取其中50%未发生疲劳破坏前的循环次数N为试验次数。即可靠度R=0.5时的极限应力及其N作S-N曲线，故不同的可靠度下有不同的S-N曲线。410N761010~N41/Nlim高周疲劳区低周疲劳次疲劳区高周疲劳区次疲劳区低周疲劳区N一般金属的S-N曲线可分为如下三段：4101N.低周疲劳区该段曲线特点：应力大、循环次数少，局部进入塑性变形区，故亦称为应变疲劳区。该段的计算应采用应变值进行计算。7641010102~N.高周疲劳区该段曲线特点：应力小、循环次数较大，亦称为应力疲劳区。该段的计算应采用应力值进行计算。次疲劳区该段曲线只有延性材料（如钢）才有，而对于脆性材料（如有色金属及其合金等）则无此区域。该段曲线对应的应力称为持久疲劳极限。7610103~N.761010~N41/Nlim次疲劳区N1四材料的P-S-N曲线不同的失效概率，材料的S-N曲线也不同。失效概率按照正态分布，如图所示。41/NlimN123%p50%p10%p1图中，p为失效概率。三条曲线均可作为设计基准，对于重要零件的设计，可采用失效概率低（可靠度高）的曲线；一般零件的设计则采用50%的失效概率曲线。可靠度：R=1-p第二节材料的疲劳极限一疲劳极限图（极限应力图）对于不同循环的试验应力，材料的疲劳极限值也是不同的，因此，材料的S-N曲线不能反映出应力的循环特性r对材料的疲劳极限的影响，故有另外的表达形式：am在不同循环特性的应力下对材料进行试验，并以平均应力为横坐标，以应力幅为纵坐标作图，便得到其极限应力图。maA点：10r,mminmax对称循环变应力下的极限应力为：1limB点：10r,amminmax静应力下的极限应力为：blimA点：00r,min20am脉动循环变应力下的极限应力为：0lima120020mbA(r=-1)C(r=0)B(r=+1)Ss451.材料工作时许用范围对于塑性材料，还存在着屈服极限，由作线，SSGSSammax则线上任意一点的最大应力（极限应力）均为(1)内为材料的塑性变形所允许的区域，在该区域内材料不发生塑性变形。GOSGS020mba120GACHBSsSammax45(2)OACB内为材料疲劳破坏所允许的区域，在该区域内材料不发生疲劳破坏。(3)AHG阴影------材料未发生显著塑性变形，但已出现疲劳现象；HBS阴影------材料未发生疲劳现象，但已出现塑性变形。材料的许用范围为：ACHSO塑性材料的许用范围为：ACH区域。020mba120GACHBSsSammax452.疲劳极限图的简化------疲劳极限方程(1)Gerber抛物线方程------以通过A、B两点的抛物线近似代替将横坐标轴（轴）移至A点，则AB段的抛物线方程为：m10,CKma2通过A点：通过A点：10,通过A点：通过A点：10,通过B点：0,b1C21bK211bma此方程为二次曲线，计算较复杂，应用不便。11r适用范围：(2)Goodman直线方程------以直线近似代替AB直线的方程为：AB1maK其中，斜率K为bK1bma1111r适用范围：该方程失真较大，计算过于保守。020mba120ACBSs45(3)Soderberg直线方程------以直线近似代替AS直线的方程为：AS1maK其中，斜率K为sK1sma1111r适用范围：该方程计算更加过于保守。020mba120ACBSs45(4)折线方程------以和折线代替AFFSa)线为屈服极限，其上处处有：FSSammax10rb)线为疲劳极限，且通过A，C两点。AF10,2200,该段直线方程为：1maK斜率K为001001222K020mba120ACFHBSs4545ma:AF00112段方程为令：0012称为等效系数（将平均应力折合为应力幅的系数）。则上式化为：ma101r综合以上可得：10011rrmsama二疲劳极限图minmaxm以平均应力为横坐标，以最大应力（及最小应力）为纵坐标作图。mminmaxminmax120020mbSs13524mamax45该图并非由专门试验得出，而是由前者转换而来，目的是直接反映（或）对材料疲劳极限的影响。maxmin其可行域即为曲线ABCB/A/所围成的区域。实际设计时，设计方程可用相应折线代替；剪应力方程亦可参照上述过程建立。minmax1200mbSss0b201ABDGCBBEDA==45三疲劳极限的经验公式各种材料的疲劳极限均应由其疲劳试验求得，并载入材料的机械性能数据表中以便使用。当缺乏某种材料的疲劳极限值时，可以根据其静强度极限来估算，即利用经验公式计算出其疲劳极限值。这些公式是根据多种光试样试验资料经统计得出。结构钢铸铁铝合金青铜拉压弯曲扭转对称循环脉动循环对称循环脉动循环对称循环脉动循环bsl.2301bs.27011160.ll.1042110331.10501.bl.401b.45011190.ll.1042110331.103501.21576mm/kgf.bl21576mm/kgf.bll.1051b.21011