机械疲劳可靠性设计.pptxVIP

所谓疲劳，是指材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点逐渐产生了局部 的永久结构变化而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。 所谓疲劳破坏，是指机械零件在循环应力作用下，即使循环应力的σmmσ%, 而应力的 每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度 时，在零件的表面或内部将出现(萌生)裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。 这种缓慢形成的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。 根据国外的统计，机械零件的破坏50%～60%属于疲劳破坏。例如，轴、曲轴、连杆、 齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等很多机械零部件和结构 件的主要破坏方式都是疲劳。疲劳可靠性设计法是概率统计方法和疲劳设计方法相结合的产 物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计方法考虑了载荷、材料疲劳性能和其他疲劳设计数 据的分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，从而提高机械产品工作的疲劳可靠度 (疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数也称为疲劳寿命，用N 表示)。 由于金属是多晶体，各个晶粒的位向和性质及其所受的应力各不相同，而疲劳破坏是在 应力最大的薄弱晶粒或缺陷处起始，不像静力破坏那样在破坏以前有一个应力重分配的宏观 塑性变形过程。这是材料的疲劳性质与静强度性质间的一个重要差别。 6.1 机械产品疲劳破坏的特征 疲劳破坏的特点主要体现在：疲劳断裂时，受到的 低于σ,甚至低于σ,,同时断 口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料还是塑性材料，均表现为脆性断裂，从而更具 有突然性和危险性。 疲劳破坏的根源在于产品承受交变载荷。交变载荷又称为循环载荷、疲劳载荷，它是指 载荷的大小、方向随时间做周期性或不规则、随机性的变化。疲劳载荷包括随机载荷和确定 性载荷，确定性载荷又分为等幅疲劳载荷和程序载荷(阶梯载荷)。 疲劳破坏与静力破坏有本质不同，主要表现在： (1)交变应力水平低。构件中的交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限，而破坏 ??有可能发生。 (2)脆性断裂。不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表现为无明显塑; 性变形的突然断裂。 (3)具有局部性。疲劳破坏不牵扯到整个结构，因此，采取改变局部设计或工艺措施 就可明显增加疲劳寿命。发现疲劳裂纹时， 一般并不需要更换全部结构，只需采取局部处理 措施，例如磨去细小表面裂纹、扩孔去掉孔边裂纹、钻止裂孔、采取喷丸措施产生残余压应 力工艺等。 (4)疲劳过程是一个累积损伤的过程。疲劳经历一段，甚至很长一段时间历程后才产 生断裂破坏。疲劳断裂由3个过程组成：裂纹形成、裂纹扩展和失稳断裂。 (5)疲劳破坏断口在宏观、微观上有特征。通过分析断口和研究疲劳破坏机理，往往 能找到破坏原因，从而提出防止事故的措施。 6.2 疲劳常用的应力循环分析 对于疲劳可靠性设计而言，由于载荷施加方式不同，会对疲劳产生不同的影响，同时载 荷施加方式也是进行疲劳可靠性设计的基本运算输入。图6-1所示为应力循环的主要参数，; 6.3 材料性能S-N、P-S-N 曲线与疲劳极限应力图 表示循环应力水平与疲劳寿命关系的曲线称为S-N 曲线，是进行疲劳可靠性寿命设计 的重要曲线。需要先介绍两个概念。 (1)材料的疲劳极限σ,v: 在应力比为r 的循环应力作用下，应力循环N 次后，材料不 发生疲劳破坏时所能承受的最大应力 σm。 (变应力的大小可按其最大(值)应力进行 比较), (2)疲劳寿命N: 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 r不同或N 不同，疲劳极限σ则不同。在疲劳强度计算中，取σim=σ,N。 6.3.1 材料疲劳性能的S-N 曲 线 1.基本概念 定义：表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S-N 曲线， 简称为S-N 曲线。它反映了材料疲劳强度的特性曲线，是在应力比r一定时，表示疲劳极 限σ,w与循环次数N 之间关系的曲线。 S-N 曲线是用标准小试样在疲劳试验机上试验得到的。用一组标准试件(一般8～12 个试件),在一定平均应力 σm (或一定的循环特征r) 下施加不同的应力幅σ,测出试件断 裂时的循环数N。 然后以σmx (或σ.)为纵坐标， N 为横坐标(一般取横坐标为对数寿命 InN或lgN), 画出这些点，连接这些点就得到相应于σ。(或r) 下的S-N 曲线。典型的疲 劳S-N 曲线如图6-2所示。; 图6-2 典型的疲劳S-N 曲线 从图6-2中可以看出：σ随N 的增大而减小，但是当N 超过某一循环次数N 时，曲 线趋于水平，即σ,不再随N 的增大而减小。图中N。称为循环基数。图6-2分为4个阶段： (1)AB 段：静载破