第3章影响机械零件疲劳强度的因素

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1、西南交通大学电子讲义1第第3章章 影响机械零件疲劳强度的因素影响机械零件疲劳强度的因素第3章 疲劳强度影响因素 2概述概述q材料的疲劳极限和材料的疲劳极限和S-N曲线只能代表标准光滑试样的疲劳性曲线只能代表标准光滑试样的疲劳性能能,实际零件的尺寸、形状和表面状况各式各样，与标准试实际零件的尺寸、形状和表面状况各式各样，与标准试件差别很大。件差别很大。q影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中最主要的是形状、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。形、停歇、

2、腐蚀介质和温度等。q本章主要介绍形状、尺寸、表面状况、平均应力、加载频率、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。应力波形与停歇对疲劳强度的影响。第3章 疲劳强度影响因素 33.1 形状因素形状因素q应力集中应力集中v结构受力时，其截面突变的地方（如台阶、开孔、榫槽等）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。会出现局部应力增大的现象，称为应力集中。v应力集中对静强度的影响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

3、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。v应力集中对疲劳强度的影响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。一一. 理论应力集中系数理论应力集中系数q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。与名义应力的比值，称为理论应力集中系数。v 理论应力集中系

4、数表示在静载荷的作用下，构件局部应力的严重程度。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。v 用用Kt来表示。来表示。v 一般情况下一般情况下Kt值可由手册上的图表查得。值可由手册上的图表查得。v Kt值与构件的几何形状有关，又称为形状系数。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二二. 有效应力集中系数有效应力集中系数q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

5、效应力集中系数。力集中试样的疲劳极限之比，叫做有效应力集中系数。 可以表示为可以表示为:v 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v 由于有缺口，使局部应力提高的倍数为由于有缺口，使局部应力提高的倍数为Kt，使疲劳强度降低的倍数为，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。v 有效应力集中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

6、应力，有缺口试件的疲劳极限光滑试件的疲劳极限111q确定有效应力集中系数Kf的方法v 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）v 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）：v 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）v 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(154321fKq

7、敏感系数q的确定v 敏感系数q是材料对应力集中敏感性的一种程度,q=01,由(3-4),得)53(11tfKKqv 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；v 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）v q值与材料强度极限b有关，若b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。v q值的确定方法有多种，工程上有许多计算公式和曲线。v 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（

8、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（诺伯公式（Neuber）式中，r为缺口半径； A为参数，从图3-2查出rAq/11q值也可以直接从图3-3查出彼特逊公式（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公式q赵少卞和王忠保等人用赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si2Mn等钢材对疲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：算公式：

9、)83(88. 0btAQKKv 式中，式中，A，b为与热处理方式有关的常数；为与热处理方式有关的常数；Q为相对应力梯度。为相对应力梯度。热处理方式热处理方式Ab正火钢0.4320.279热轧钢0.3360.345淬火后回火0.2900.152不同热处理方式的不同热处理方式的A,bA,b值值相对应力梯度相对应力梯度Q Q值按表值按表3-23-2计算计算第3章 疲劳强度影响因素 113.2 尺寸效应尺寸效应 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。的现象称为尺寸效应。q尺寸系数尺寸系数

10、v 尺寸尺寸系数系数定义为：当应力集中与终加工情况相同时，尺寸为定义为：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：件的疲劳极限与标准直径的试样的疲劳极限之比。即：1111dd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=610mm。中低强度钢d0取9.5mm；高强度钢d0取7.5mm或6mmq尺寸效应机制（尺寸效应机制（目前还不完善目前还不完善）v 工艺因素工艺因素 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

11、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。v 比例因素比例因素 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。q尺寸效应的影响（尺寸效应的影响（实验结论，无理论证明实验结论，无理论证明）v 尺寸效应与加载方式有关。尺寸效应与加载方式有关。v 钢的强度越高，尺寸效应越大。钢的强度越高，尺寸效应越大。v 合金钢的尺寸效应比碳钢小，合