第3章影响机械零件疲劳强度的因素详解

机械强度与可靠性西南交通大学电子讲义1第3章影响机械零件疲劳强度的因素机械强度与可靠性——第3章疲劳强度影响因素2概述材料的疲劳极限和S-N曲线只能代表标准光滑试样的疲劳性能,实际零件的尺寸、形状和表面状况各式各样，与标准试件差别很大。影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中最主要的是形状、尺寸、表面状况、平均应力、复合应力、加载频率、应力波形、停歇、腐蚀介质和温度等。本章主要介绍形状、尺寸、表面状况、平均应力、加载频率、应力波形与停歇对疲劳强度的影响。机械强度与可靠性——第3章疲劳强度影响因素33.1形状因素应力集中结构受力时，其截面突变的地方（如台阶、开孔、榫槽等）会出现局部应力增大的现象，称为应力集中。应力集中对静强度的影响与材料性质有关。对脆性材料影响较大，对塑性材料影响小。塑性材料在破坏前有一个宏观的塑性变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此应力集中对塑性材料的静强度影响小。应力集中对疲劳强度的影响疲劳破坏事故和试验表明，疲劳源总是出现在应力集中的地方，应力集中使结构的疲劳强度降低。疲劳破坏时截面上的名义应力未达到屈服极限，而局部应力高导致屈服，使疲劳强度降低，为结构的薄弱环节。疲劳设计必须考虑应力集中的影响。一.理论应力集中系数应力集中使零件的局部应力提高，在缺口或其他应力集中处的局部应力与名义应力的比值，称为理论应力集中系数。理论应力集中系数表示在静载荷的作用下，构件局部应力的严重程度。用Kt来表示。一般情况下Kt值可由手册上的图表查得。Kt值与构件的几何形状有关，又称为形状系数。tnWP名义应力即平均应力义应力。为有应力集中截面的名部应力；为应力集中处的最大局式中，ntnttK二.有效应力集中系数无应力集中试样的疲劳极限与和其净截面尺寸及终加工方法相同的有应力集中试样的疲劳极限之比，叫做有效应力集中系数。可以表示为:有效应力集中系数主要用来表征应力集中对疲劳强度的降低作用由于有缺口，使局部应力提高的倍数为Kt，使疲劳强度降低的倍数为Kf。国外，通常把有效应力集中系数称为疲劳缺口系数，并常用Kf统一表示正应力和切应力下的疲劳缺口系数。有效应力集中系数(Kf)的其他叫法：疲劳缺口系数、疲劳强度降低系数。KKKKKfff对于剪切应力，对于拉伸应力，有缺口试件的疲劳极限光滑试件的疲劳极限1'11确定有效应力集中系数Kf的方法疲劳试验法。根据Kf的定义直接进行疲劳试验，得到相关的曲线（只适用于一定的形状和材料）影响系数法。根据零件的材料、形状等影响因素，分别计算影响系数，再按下面的经验公式计算（日本常用该方法）：敏感系数法。世界通用的方法。利用理论应力集中系数Kt和疲劳缺口敏感系数q来计算疲劳缺口系数。（比较重要的公式）其他方法。如应力梯度法、L/G法、断裂力学法等。（目前还不成熟）有关；、缺口半径它与材料性能为疲劳缺口敏感系数，为理论应力集中系数；式中，rqKKqKbttf)43()1(1)33(154321fK敏感系数q的确定敏感系数q是材料对应力集中敏感性的一种程度,q=0~1,由(3-4),得)53(11tfKKqq=1，此时Kf=Kt，表示材料对应力集中非常敏感。塑性较差的高强度钢接近于1；q=0，Kf=1,材料对应力集中没有反应。如，铸铁。（铸铁内含大量的石墨杂质，相当于很尖锐的裂纹，其影响几乎完全掩盖了应力集中的影响）q值与材料强度极限σb有关，若σb增大，则q增大；若晶粒度与材料性质不均匀，则q减小；q值还与缺口曲率半径有关，r减小，q增大。q值的确定方法有多种，工程上有许多计算公式和曲线。常用的确定q值的方法诺伯公式（Neuber）（机械工程手册推荐）彼特逊公式（Peterson）（英国疲劳设计准则推荐）常见材料的敏感系数q的统计数值（表3-1）（略）诺伯公式（Neuber）式中，r为缺口半径；A为参数，从图3-2查出rAq/11q值也可以直接从图3-3查出彼特逊公式（Peterson）raqraq/6.011/11赵少卞和王忠保公式赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计算公式：)83(88.0btAQKK式中，A，b为与热处理方式有关的常数；Q为相对应力梯度。热处理方式Ab正火钢0.4320.279热轧钢0.3360.345淬火后回火0.2900.152不同热处理方式的A,b值相对应力梯度Q值按表3-2计算机械强度与可靠性——第3章疲劳强度影响因素113.2尺寸效应零件或试样的尺寸增大，则疲劳强度降低，这种疲劳强度随尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。尺寸系数ε尺寸系数ε定义为：当应力集中与终加工情况相同时，尺寸为d的大试样或零件的疲劳极限与标准直径的试样的疲劳极限之比。即：1111dd对称扭转对称弯曲无缺口光滑大试样对称弯曲或扭转疲劳极限标准尺寸试样对称弯曲或扭转疲劳极限标准试样直径d0=6~10mm。中低强度钢d0取9.5mm；高强度钢d0取7.5mm或6mm尺寸效应机制（目前还不完善）工艺因素大型零件的铸造质量比小型零件差，大零件缺陷比小零件多；大截面零件的锻造比或压延比都比小零件小；大型零件热处理冷却速度比小零件慢，淬透深度小；大型零件加工时的切削力、切削热与小零件不同；大型零件的材质比小型零件差。以上因素，使大型零件的疲劳强度降低。比例因素应力梯度。零件上应力分布不均匀，外层应力大，导致外层位移大，内层晶粒阻止外层位移。在相同外载荷下，大试样的应力梯度小，名义应力低；小试样则相反。统计因素。零件尺寸越大，出现薄弱晶粒和大缺陷的概率越大。尺寸效应的影响（实验结论，无理论证明）尺寸效应与加载方式有关。钢的强度越高，尺寸效应越大。合金钢的尺寸效应比碳钢小，合金结构钢与碳素结构钢相同。铸钢的尺寸敏感性比锻钢大。尺寸系数ε的确定（目前主要采用实验曲线来确定）锻钢疲劳极限的尺寸系数光滑轴的弯曲尺寸系数机械强度与可靠性——第3章疲劳强度影响因素143.3表面加工的影响表面状态对疲劳强度有较大影响。裂纹常常从零件表面开始（最大应力一般发生在表面、表面上的缺陷一般最多）影响机制表面状态主要指：表层组织结构、表面应力状态、粗糙度。表面切削加工影响（表3-4）表面层塑性变形应变硬化程度。（疲劳极限随硬化程度的增加而提高）应变硬化层厚度。（厚度未超过弹塑性变形区厚度时，厚度与疲劳极限成正比；若超过，则无影响）应变硬化引起的残余应力。（残余压应力提高弯曲疲劳极限，残余拉应力降低拉伸疲劳极限）表面层温度通过三方面影响疲劳极限：残余应力、时效程度、软化程度。表面粗糙度粗糙度增加，疲劳极限降低。（刀痕深度、切削刀痕锐度增加，疲劳极限降低）切削用量的影响影响因素主要有：切削速度、进给量和切削深度。增加切削速度可使冷作硬化层厚度减小，增加进给量和切削深度使硬化层厚度增大。（对硬化程度及残余应力的影响类似）增加切削速度和进给量会使表面温度降低，而增加切削深度则提高表面温度。降低表面温度可以减小残余应力、减小时效程度及软化程度；温度升高则相反。切削速度的增加可以改善表面粗糙度，切削深度和进给量的增加将恶化粗糙度。切削用量具体的影响规律见表3-5表面加工系数曲线零件的表面状况和环境对疲劳强度的影响用表面系数β表示。表面系数分为三种：表面加工系数β1、腐蚀系数β2、表面强化系数β3。表面加工系数β1定义：具有某种加工表面的标准光滑试样与磨光（抛光）标准光滑试样的疲劳极限之比图表。加工方法对疲劳强度的影响是三种因素共同作用的结果，很难分别考虑各自的影响，一般根据实验用图表来表示。不同循环次数N下的β1-sb关系曲线不同循环次数N下的β1-ss/sb关系曲线不同加工方法下的β1-sb关系曲线计算公式弯曲与拉压扭转表面加工系数与疲劳缺口系数的关系（对3-4式的修正）)113(1111)123(1bba)133(4.06.011为疲劳缺口敏感系数疲劳缺口系数；为理论应力集中系数；式中，qKKKqKfttf)143()1(11β1τ扭转交变应力下的表面加工系数a,b最终加工方法系数，与加工方法、循环次数有关不同循环次数N下的β1-sb关系曲线不同循环次数N下的β1-ss/sb关系曲线不同加工方法下的β1-sb关系曲线机械强度与可靠性——第3章疲劳强度影响因素203.4平均应力的影响平均应力对疲劳强度影响的一般概念决定零件疲劳强度的是应力幅。平均应力对疲劳强度的影响是第二位的，但仍有重要作用。一般情况，拉伸平均应力使极限应力幅减小；压缩平均应力使极限应力幅增大。平均应力对正应力的影响比切应力要大。极限应力线图极限应力线图用来表示平均应力对疲劳强度的影响在疲劳设计中，常用平均应力折算系数将平均应力折算为等效应力幅常用的极限应力线图有三种史密斯图海夫图等寿命图史密斯（Smith）图以最大应力σmax和最小应力σmin为纵坐标，以平均应力σm为横坐标的极限应力线图，叫史密斯图。也叫σmax（σmin）-σm图。ADC线为最大应力线；BEC线为最小应力线；ADC线与BEC线所包围的面积表示不产生疲劳破坏的应力水平；ADC线与BEC线外区域表示要产生疲劳破坏的应力水平；A点为对称疲劳极限σ-1；D点表示脉动疲劳极限σ0；C点表示强度极限σb。海夫（Haigh）图以应力幅σa为纵坐标、平均应力σm为横坐标的极限应力图称为海夫图。A点σm=0，σa=OA=σ-1为对称循环疲劳极限；B点σa=0，σm=OB=σb为静强度极限；C点σm=σa，为脉动循环疲劳极限的一半；AC连线斜率的绝对值即为平均应力折算系数海夫图比史密斯图醒目，使用更广泛。020maxminmamamRRRma11)(5.0)(5.0tanminmaxminmax等寿命图表示相同寿命时不同应力比下的疲劳极限间关系的线图都是等寿命图。即给定寿命下σa、σm、σmax、σmin间关系的一族曲线。图中射线表示应力比R=σmax/σmin例3-1已知σa=400Mpa，σm=400MPa。求σmax、σmin、R和寿命N。例3-2已知光滑试样R=-1，σa=600MPa。求寿命N。拉伸平均应力的影响极限应力线（许多学者提出了多种极限应力线）1874年的戈倍尔抛物线1899年的古德曼直线1935年的索德贝尔格直线1950年的谢联先折线莫罗直线)173(])/(1[21bma)183()/1(1bma)193()/1(1sma)203())1)(2/(0)203()01''01aRaRmama时时)213()/1(1fma。时的平均应力折算系数。———平均应力折算系数；——真断裂强度；——屈服极限；——强度极限；——材料疲劳极限；——极限应力幅；——平均应力；—各计算公式中0'1Rfsbam劳极限。—脉动循环下的材料疲—式中，）（算公式平均应力折算系数的计000'001)223()2/()223(/2bab上述5种极限应力线的关系索德贝尔格直线对大多数金属材料偏于保守。戈倍尔抛物线适用于塑性材料，但非线性，使用麻烦，一般不用。古德曼直线适用于脆性材料，对延性材料偏于保守。谢联先折线与试验数据比较符合，比古德曼直线精确，缺点是要知道脉动循环下的疲劳极限值。莫罗直线也与试验数据比较符合，比古德曼直线精确，在疲劳设计中使用较多。东北