1.2.2 机械零件的疲劳强度
1)应力的类型和特点
机械零件受载时,应力状态可用最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、应力幅σa及应力循环特性r 这5 个参数中任意两个来表示,如图1.5 所示。 其关系式为
作用在机械零件上的应力,一般可分为静应力和变应力两种。 静应力是不随时间变化的应力;变应力是随时间变化的应力。
大多数机械零件是在变应力状态下工作的,最常见的是随时间作周期性变化的循环应力。其中,参数不随时间变化的循环应力,称为稳定循环应力,如图1.5(a)所示;参数随时间变化的循环应力,称为不稳定循环应力,如图1.5(b)所示。
稳定循环应力中,当r= -1 时,表明σmax = -σmin,这种应力称为对称循环应力,如图1.5(c)所示;当r≠1 时,表明|σmax|≠|σmin|,这种应力称为非对称循环应力,如图1.5(d)所示;当r=0 时,表明σmin =0,这种应力称为脉动应力,如图1.5(e)所示;当r =1 时,表明σmax =σmin,即静应力,如图1.5(f)所示。
图1.5 应力的类型
2)疲劳断裂的特征和疲劳曲线
疲劳断裂是材料在变应力作用下,在一处或多处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后,产生裂纹或突然发生断裂的过程。 疲劳断裂与静应力下的过载断裂比较,具有以下特征:
图1.6 金属材料的疲劳断口(https://www.daowen.com)
①疲劳断裂过程可分为两个阶段:首先在零件表面应力较大处产生初始裂纹,然后裂纹尖端在切应力反复作用下发生塑性变形,使裂纹扩展,造成零件实际的抗弯截面积减小。 当裂纹扩展至一定程度时,发生突然断裂。
②疲劳断裂的断面明显分成两个区域,即表面光滑的疲劳发展区和表面粗糙的脆性断裂区,如图1.6 所示。
③不论塑性材料还是脆性材料制成的零件,疲劳断裂均为脆性突然断裂。
④疲劳强度比同样材料的屈服点低,疲劳强度的大小与应力循环特性有关。
常规疲劳强度设计是指应用无初始裂纹的标准试件进行疲劳试验,得到材料的疲劳强度及疲劳曲线,再考虑零件尺寸、表面状态及几何形状引起的应力集中等因素对疲劳强度的影响,进行疲劳强度设计。
疲劳强度是指试件经过一定的应力循环次数不发生疲劳破坏的最大应力,常用σrN表示。表示循环次数N 与疲劳强度σrN关系的曲线,称为疲劳曲线,如图1.7 所示。 疲劳曲线可分为以下两个区域:
图1.7 疲劳曲线
①无限寿命区。 当N≥N0 时,试件的疲劳强度不再随应力循环次数N 的增加而降低,如图1.7 所示的曲线1(塑性材料)的水平部分,大部分中低碳钢属此类曲线。 N0 称为循环基数,对应于循环基数N0 的疲劳极限用σr 表示。 对称循环的疲劳极限用σ-1,τ-1表示;脉动循环的疲劳极限用σ0,τ0 表示。 按疲劳曲线水平部分进行的设计计算,称为无限寿命设计。 当要求零件在无限长的使用期间工作而不发生疲劳破坏时,可将其工作应力限制在疲劳极限σr 以下,就可得到理论上的无限寿命。
有色金属和高强度合金钢的疲劳曲线没有无限寿命区,如图1.7 所示的曲线2(脆性材料)。
②有限寿命区。 当N ＜N0 时,试件的疲劳极限随应力循环次数N 的增加而降低,如图1.7 所示的曲线1(塑性材料)的斜线部分。 按疲劳曲线斜线部分进行的设计计算,称为有限寿命设计。 为充分利用材料,减小质量,在确保使用寿命的条件下,常采用超过材料疲劳极限σr 的工作应力来进行疲劳强度设计。 这种方法在航空、汽车行业中得到广泛应用。