机械零件的疲劳设计与应用
机械零件的磨损机理与疲劳分析
机械零件的磨损机理与疲劳分析引言：机械零件是构成各种机械设备的核心组成部分，其质量和可靠性直接影响着整个设备的性能和寿命。
在机械运动过程中，零件之间的接触和磨擦不可避免地会导致磨损和疲劳，从而降低机械零件的工作效率和寿命。
因此，研究机械零件的磨损机理与疲劳分析成为提高机械设备的性能和寿命的重要课题。
一、磨损机理磨损是机械零件在相对运动过程中表面材料的损失，主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和润滑磨损等。
1. 磨粒磨损磨粒磨损是由于杂质等颗粒物进入零件表面的接触区域，与零件表面发生相对滑动而引起的既摩擦又磨损现象。
磨粒磨损会导致零件表面粗糙度增加，磨粒在摩擦接触区域形成凹槽和划痕，进一步加剧磨损。
2. 疲劳磨损疲劳磨损是由周期性应力作用引起的损伤，主要发生在机械零件承受往复或交变载荷的部位。
机械零件在往复运动过程中，由于应力的交变作用，材料表面会出现微裂纹，随着应力的不断作用，微裂纹会逐渐扩展并最终导致零件的疲劳破坏。
3. 润滑磨损润滑磨损是由于润滑油膜的破坏而引起的磨损现象。
当机械零件表面的润滑油膜无法保持稳定时，摩擦接触表面之间的直接接触会增加，摩擦热和摩擦力会增大，从而导致零件表面的磨损加剧。
二、疲劳分析疲劳分析是研究机械零件在循环加载下的疲劳性能和寿命的工程方法。
通过对零件材料的应力应变状态和疲劳强度的分析，可以判断零件在正常工况下的抗疲劳性能，并提出相应的改进措施。
1. 应力分析应力是导致机械零件疲劳破坏的主要因素。
在进行疲劳分析时，需要对零件所受的静态和动态载荷进行分析，计算出零件的应力分布情况，并结合材料的疲劳强度曲线，判断零件是否会发生疲劳破坏。
2. 循环载荷循环载荷是指在零件使用过程中的周期性变化的载荷。
循环载荷下，机械零件会发生应力集中和应力交变，进而引起疲劳裂纹和疲劳破坏。
因此，在疲劳分析中，需要对循环载荷进行精确的统计和计算，以准确评估零件在实际工作条件下的疲劳性能。
3. 疲劳强度分析疲劳强度是指材料在循环加载作用下能够承受的最大载荷水平。
机械零件的疲劳强度设计
累积循环次数
疲劳寿命
－－寿命损伤率
显然，在 的单独 作用下，
当 ， 寿命损伤率＝1 时，就会发生疲劳破坏。
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独 立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率 之和等于1时，则会发生疲劳破坏。
即：
上式即为Miner法则的数学表达式，亦即疲劳损伤线性累积假说。
注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。
二、疲劳强度设计
损伤等效
根据Miner法则，将规律性变幅循环应力 等效恒幅循环应力
（简称等效应力）
－－等效应力的大小 －－等效循环次数
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数 组成一个综合影响系数：
零件的疲劳极限为：
用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。
（ 、 的值见教材或有关手册 ）
屈服强度线
§2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数，以 判断零件的安全程度。安全条件是：S ≥ 。
概 述
C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。
二、循环应力的类型
脆性断裂区
疲劳区
疲劳源
疲劳纹
循环应力可用smax 、 smin 、 sm 、 sa 、 这五个参数中的任意两个参 数表示。
概 述
规律性变幅循环应力
按最大应力计算的安全系数为：
≥
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
注：1）应力增长规律为 时，按应力幅计算的安全系数 等与按最大应力计算的安全系数。
机械零部件的疲劳寿命分析与优化设计
机械零部件的疲劳寿命分析与优化设计概述机械零部件的疲劳寿命分析和优化设计对于确保机械设备的可靠性和使用寿命至关重要。
疲劳失效是导致机械零部件损坏和事故的主要原因之一。
本文将介绍疲劳寿命的概念和常见分析方法，并探讨如何通过优化设计提高零部件的疲劳寿命。
疲劳寿命概念疲劳寿命是指机械零部件在循环应力的作用下失效之前能够承受的循环应力次数。
循环应力是指零部件在交变荷载作用下所受到的应力变化。
疲劳寿命可以通过应力-寿命(S-N)曲线来表示，该曲线描述了应力水平和所能承受的循环次数之间的关系。
疲劳分析方法1. 应力分析：对于机械零部件，必须首先进行应力分析，确定零部件在使用条件下所受到的应力水平和变化。
2. 材料特性分析：机械材料的疲劳寿命与其材料特性密切相关。
通过对材料的化学成分和热处理工艺等进行分析，可以确定材料的疲劳强度和寿命。
3. 循环载荷分析：确定作用在机械零部件上的循环载荷，包括振动载荷、冲击载荷等。
在实际情况中，往往会有多种载荷同时作用在零部件上，需要综合考虑不同载荷对疲劳寿命的影响。
4. 疲劳寿命预测：根据应力分析和材料特性，利用疲劳寿命预测模型，可以预测机械零部件在给定载荷下的疲劳寿命。
优化设计方法1. 材料选择：选择具有较高疲劳强度和寿命的材料，可以提高零部件的疲劳寿命。
例如，使用高强度钢材代替低强度钢材，可以提高零部件的抗疲劳能力。
2. 结构设计：通过优化零部件的结构设计，可以降低应力集中和应力变化幅度，从而延长疲劳寿命。
例如，合理设计零部件的圆角和倒角，可以缓解应力集中现象。
3. 表面处理：通过表面处理方法，如喷砂、磨削等，可以改善零部件表面的粗糙度和残余应力分布，提高疲劳强度。
4. 使用条件优化：调整机械设备的使用条件，如减小振动幅度、合理控制载荷大小等，可以减小零部件的疲劳应力，延长其寿命。
案例分析以一台发动机连接杆为例，进行疲劳分析和优化设计。
首先，进行应力分析并确定连接杆在使用条件下的应力水平和变化。
上海理工大学科技成果——机械零部件抗疲劳设计和抗疲劳制造
上海理工大学科技成果——机械零部件抗疲劳设计和抗疲劳制造一、机械结构和零件的抗疲劳设计和抗疲劳制造技术通过结构的局部强度和强度场把结构抗疲劳设计和抗疲劳制造技术有机的耦合起来，为结构的材料、毛坯、热处理、强化工艺等的要求设计提供了理论依据。
基于结构和零件的局部强度和强度场提出了材料要求设计、毛坯要求设计、热处理强化要求、工艺强化要求的设计理论和方法。
提出了基于毛坯-制造-产品的热处理硬度场的设计要求，包括热处理表面硬度、硬化层深度、芯部硬度以及硬度等。
热处理强化要求设计提出了基于制造工艺-热处理-产品的毛坯结构尺寸和力学特性要求设计，通过控制毛坯的力学特性进行工艺设计，提高产品的疲劳强度和疲劳寿命。
旋锻成形的毛坯尺寸和力学特性要求设计喷丸等工艺强化的工艺参数制定、匹配优化，提过喷丸等工艺强化提高疲劳强度和疲劳寿命。
二、基于强度特征的轻量化设计和可靠性设计技术基于载荷强化和损伤的载荷谱处理新技术，用于加载谱和耐久性评价规范的制定。
通过载荷的强化和损伤、结构抗疲劳设计和载荷谱中强度变化特征等提出了基于强度特征的轻量化设计和可靠性设计，并应用到等速万向传动轴零件的具体设计。
可靠性和轻量化设计三、基于零件强度场的疲劳寿命仿真技术提出了结构和零件的静强度和疲劳强度特征预测模型，并通过结构和零件的静强度和强度特征而非材料的静强度和强度特征进行疲劳仿真。
动臂焊接结构疲劳研究动臂焊接残余应力研究四、旋锻近净成形工艺参数确定和缺陷预防含芯棒和无芯棒的旋锻工艺参数优化、缺陷预防以及产品设计。
旋锻成形仿真旋锻缺陷预防机理和旋锻工艺参数确定五、提高焊接结构疲劳性能的矫正理论和技术提供疲劳寿命的矫正工艺参数优化。
动臂矫正工艺参数确定和矫正装置六、可回收机械零部件技术评价理论和技术报废机械零件的剩余强度和剩余寿命评价和预测。
可回收技术评价流程评价回收的液压油缸和轿车等速万向传动轴七、机械零件的动态特性设计和NVH匹配设计某商务车传动轴NVH匹配研究。
疲劳的定义及疲劳的重要性
疲劳的定义及疲劳的重要性
在机械工程中，多数机械零部件都是在循环载荷作用下的，其工作应力往往低于材料的屈服强度。
零部件在这种循环载荷下，经过较长时间运行而发生失效的现象称为金属的疲劳。
疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。
据统计，约有80％以上零部件失效是由疲劳引起的，其中大多数是突然断裂。
随着现代机械向高速和大型化方向发展，许多零部件在高温、高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，疲劳破坏事故更是层出不穷。
因此，研究机械零部件的疲劳强度和推广疲劳设计，对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。
疲劳强度设计是建立在实验基础上的一门科学。
只有模拟真实的载荷及环境，对被研究的设备或零部件进行实物试验，才能正确地评价他们真实的疲劳特性，验证疲劳设计的预期效果。
但是，由于整机试验成本太高，而零部件的疲劳试验虽不如整机试验接近实际，却比用标准试样更接近工况，所以，关键零部件的疲劳试验是疲劳设计中的一个重要环节。
在零部件的疲劳试验中，要消耗大量零部件试样，对于不同的设计方案，又要制作不同结构的试样，很不方便。
所以，一般多用结构简单、造价低廉的标准试样进行疲劳试验，已提供疲劳性能数据和疲劳设计数据。
因此，疲劳试验在疲劳研究和疲劳设计中占有举足轻重的地位。
力学在工业机械设计中的应用有哪些
力学在工业机械设计中的应用有哪些在现代工业领域中，机械设计是一项至关重要的工作，它直接关系到机械设备的性能、质量、可靠性以及生产成本等多个方面。
而力学作为一门研究物体运动和受力情况的科学，在工业机械设计中有着广泛而深入的应用。
通过运用力学原理和知识，可以有效地优化机械结构、提高机械性能、保障机械的安全运行。
接下来，让我们详细探讨一下力学在工业机械设计中的具体应用。
首先，静力学在工业机械设计中起着基础的作用。
静力学主要研究物体在静止状态下的受力平衡情况。
在机械设计中，设计师需要确保各个零部件在静止时能够承受所施加的外力而不发生变形或破坏。
例如，在设计机床的床身结构时，需要考虑机床在加工过程中所承受的切削力、重力以及夹紧力等。
通过静力学分析，可以计算出床身结构所需的强度和刚度，从而合理地选择材料和确定结构尺寸。
又如在设计起重机的起重臂时，需要根据起重臂所承受的重物重量、起重臂自身的重量以及风载等因素，运用静力学原理来确定起重臂的截面形状和尺寸，以保证起重臂在静止状态下能够安全地承载重物。
其次，动力学在工业机械设计中也具有重要地位。
动力学研究物体的运动和受力之间的关系。
在机械设计中，许多机械设备都涉及到运动部件，如发动机的活塞、连杆机构，机床的主轴等。
通过动力学分析，可以了解这些运动部件的运动规律、速度、加速度以及受力情况。
这对于优化机械的运动性能、减少振动和噪声、提高机械的工作效率和寿命都具有重要意义。
例如，在设计汽车发动机的曲柄连杆机构时，需要考虑活塞的往复运动、连杆的摆动以及曲轴的旋转运动等。
通过动力学分析，可以确定各部件的运动轨迹和受力情况，从而优化机构的设计，减少摩擦和磨损，提高发动机的功率输出和燃油经济性。
材料力学在工业机械设计中的应用同样不可忽视。
材料力学主要研究材料在受力情况下的变形和破坏规律。
在机械设计中，选择合适的材料是保证机械性能和可靠性的关键。
通过材料力学的知识，可以了解不同材料的力学性能，如强度、硬度、韧性、疲劳强度等，并根据机械零部件的工作条件和受力情况选择合适的材料。
提高零件疲劳强度的措施
提高零件疲劳强度的措施随着现代工业的不断发展，各种机械、设备和工具的应用越来越广泛，零件的疲劳强度就显得尤为重要。
疲劳是指在循环载荷下零件发生的一种特殊的破坏形式，是机械零件最常见的破坏形式之一。
为了确保机械零件的安全性和可靠性，提高零件疲劳强度是至关重要的。
下面，我们将介绍几种提高零件疲劳强度的措施。
1. 优化设计在零件设计阶段，应当充分考虑该零件的使用环境和工作负荷，合理设计零件的形状、尺寸和材料，以提高其疲劳强度。
例如，在设计轴承支座时，应当考虑到其受到的载荷、转速和使用环境，选择合适的材料和加工工艺，以保证其在使用中不易疲劳破坏。
2. 提高表面质量零件表面的质量对其疲劳强度有很大的影响。
表面缺陷、裂纹和划痕等都会影响零件的疲劳寿命，因此提高零件表面的质量是提高其疲劳强度的重要措施之一。
可以通过机加工、磨削和抛光等方式提高零件表面的质量，减少表面缺陷和裂纹，从而提高其疲劳强度。
3. 加强热处理热处理是提高零件疲劳强度的重要手段之一，通过调控材料的组织和性能，提高零件的疲劳寿命。
常用的热处理方式有淬火、回火、正火等。
通过合理的热处理工艺，可以改善材料的组织结构和性能，提高其耐疲劳性能。
4. 加强检测对于一些关键性零件，应当加强对其疲劳破坏的检测，及时发现和处理潜在的缺陷和裂纹。
常用的检测方法有超声波检测、磁粉检测和X射线检测等。
通过加强对零件的检测，可以有效避免由于裂纹等缺陷导致的疲劳破坏。
5. 加强维护在零件使用过程中，应当加强对其的维护和保养，及时发现并处理零部件的故障和磨损。
通过加强维护，可以有效延长零件的使用寿命，提高其疲劳强度。
提高零件疲劳强度是确保机械零件安全可靠运行的重要保障。
通过合理的设计和加强材料加工、热处理、检测和维护等多种措施，可以有效提高零件的疲劳强度，提高其安全性和可靠性。
机械设计-第三章 机械零件的强度(疲劳)
AB（103前）：最大应力值变化很小，相当于静强度状况； BC（103-104）：N增加，σmax减小，有塑性变形特征—应变疲
劳，低周疲劳，不讨论； CD（>104）：有限寿命疲劳阶段 ,任意点的疲劳极限--有限寿
命疲劳极限σrN ，该曲线近似双曲线。
公式描述：
c,m—材料常数 D点后：材料不发生疲劳破坏，无限寿命疲劳阶段,
件的疲劳极限，用综合影响系数Kσ 表示。 如：对称循环弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ。 则：
σ －1试件的对称循环弯曲疲劳极限； σ －1e零件的对称循环弯曲疲劳极限。
不对称时：Kσ 是试件与零件的极限应力幅的比值。
零件的极限应力线图—ADGC 试件线图A’ D’ G’C—综合修正系数Kσ—零件线图ADGC
机械设计
第三章：机械零件的强度（疲劳强度）
主讲老师：吴克勤
第三章 机械零件的强度（疲劳）
一、材料的疲劳特性 1、 σ － N曲线 ①疲劳断裂：变应力下的零件损坏形式，与循环次数有关。 ②特征： σmax< σlim； 脆性材料和塑性材料都突然断裂； 损伤的积累。 ③疲劳极限：循环特征r一定时，应力循环N次后，材料不 发生破坏的最大应力σrN ； ④疲劳曲线：r一定的条件下，表示N与σrN 关系的曲线。
零件的极限应力曲线：
φσe－零件受循环弯曲应力时的材料常数； σ’ae －零件受循环弯曲应力时的极限应力幅； σ’me－零件受循环弯曲应力时的极限平均应力。
Kσ 为弯曲疲劳极限的综合影响系数
kσ－零件的有效应力集中系数（σ 表示在正应力条 件下）；
εσ － 零件的尺寸系数； βσ －零件的表面质量系数； βq －零件的强化系数。 上面所有的计算公式，同样适用于剪切应力。
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劳极限应力图.
图3.6 塑性材料的m-a曲线
图3.7 低塑性和脆性材料的m-a曲线
塑性材料的σa -σm简化曲线
• 3.2.3常用疲劳极限数值 • 表3.1
max= m+ a= s m= s-a
3.3 影响零件疲劳强度的系数 上述曲线是用材料的标准试件进行试验的，实际零 件的疲劳极限由于应力集中、零件尺寸、表面状态 的不同而不同。
1、应力集中的影响: 应力集中系数
k 1 q( 1)
k 1 q( 1)
ασ 、ατ ——考虑零件几何形状的理论应力集中系数 q——考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数
2、尺寸的影响----尺寸越大，材料的晶粒会愈 粗、出现缺陷的几率也就会愈大、机械加工后 所形成的表面冷作硬化层相对较薄。 尺寸系数：εα，ετ
不均匀
• 疲劳断裂的过程一般由两个阶段构成： 第一个阶段是零件表面上应力较大位置 的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹， 形成疲劳源；
• 第二个阶段为裂纹尖端在切应力下发生 反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲 劳断裂。
• 对于实际的零件疲劳过程来说，由于材 料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存 在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳 源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是 从第二阶段开始的。
主要是材料表面有裂纹存在，在反复变应力 作用下，裂纹的表面周期性地压紧和分开，使裂 纹扩展，当裂纹发展到一定程度后，余下的截面 不能满足静强度要求而发生的突然性一次断裂而 形成的断面。
断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙脆性断裂区组成
断裂扩展→光滑疲劳发展区 脆性断裂→粗糙的脆性断裂区
→轴向变形不均匀
→载荷的波动，裂纹前进
Sa
a a
GC HC
当工作应力处于塑性安全区时 首先发生塑性破坏
S
S m a
OL LC1 OM MC1
OL LC1 OC1 OM MC1 OC1
2.解析法求安全系数 工作点位于疲劳安全区时 A'E'直线方程
图3.14 钢的尺寸系数（a）和铸铁的尺寸系数（b）
3、表面状态的影响：表面的质量好坏对疲劳源 的形成、应力集中、抗疲劳能力等多方面产生影 响。
----表面状态系数：βσ， βτ
• 零件加工的后处理方法对表面状态的影 响也很大，淬火、渗碳、渗氮、抛光、 喷丸、滚压都可以提高抗疲劳强度，减 少初始裂纹产生和扩展作用 。
• 4、综合影响系数：
• 计算时要将零件的工作应力幅乘以综合影响
系数。试验表明，应力集中、零件尺寸和表
面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而
对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑
。
(k
)D
k
限应力图 考虑综合影响系数（kσ）D和寿命系数kN
• 1.所谓机械零件的疲劳极限应力图是在 考虑了综合影响系数和寿命系数之后得 出的疲劳极限应力图
对于青铜：弯曲应力：m=9 接触应力：m=8
2）无限寿命区
N N0
rN r ——持久极限
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
当作用在材料上的疲劳应力小到N0时，疲劳极限不 再随循环次数的增加而降低。
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3、循环特性r对疲劳曲线的影响
应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度 越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利
1）有限寿命区
当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限
，按静强度计算
当N>103(104)——高周循环疲劳当 103 (104 ) N N0
时随循环次数↑疲劳极限↓
对于机械设计问题，大部分材料处于AB段，这一区域 中，疲劳曲线符合指数方程：
m rN
N
m r
N
0
C
m rN
N
m r
• 2.综合影响系数只对极限应力幅有影响, 而寿命系数对应力幅和平均应力均有影 响
• 3.工作应力点(m,a)必须落在安全区内, 当零件受到的应力增长导致发生破坏时， 最终发生的破坏形式与应力的增长规律 有关 。
工作应力增长的规律
图3.17 三种常见的应力增长方式
3.5 机械零件安全系数的计算
疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判 断危险截面处的安全程度,准则为:
N
0
C
循环基数N0 与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。
对于钢：若硬度350HB，取N0=106~107； 350HB，取
有色金属：
N0=10×106~25 × 107 N0=25 × 107 。
指数m
m rN
N
m r
N
0
m lg N0 lg N
lg rN lg r
对于钢：拉应力、弯曲应力和切应力时：m=9 接触应力：m=6
3.2 材料的疲劳特性曲线
3.2.1 材料的-N疲劳曲线 1.疲劳极限----在循环特性r一定的变应力作用 下,经过N次循环作用材料不发生疲劳破坏的最 大应力称为疲劳极限(rN或rN) 2.疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历 的应力循环次数N
3.疲劳曲线： 应力循环特性r一定时，材料的疲
劳极限rN或rN与应力循环次数N 之间关系的曲线
第三章 机械零件的疲劳设计
• 3.1疲劳断裂的过程及断面特征 • 3.2材料的疲劳特性曲线 • 3.3影响零件疲劳强度的系数 • 3.4机械零件的疲劳极限应力图 • 3.5机械零件的疲劳安全系数计算方法 • 3.6现行疲劳损伤积累假说及其应用
3.1 疲劳破坏的过程及断面特征
• 为什么会造成疲劳破坏？
S[S] 该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材 料,结构和尺寸均已确定的条件下进行的
• 按 r min =常数进行加载时的疲劳安全系数的计算方法 max
1.图解法求安全系数 当工作应力处于疲劳安全区时 首先发生疲劳破坏
S
m ax max
m a m a
OG GC OC OH HC OC
寿命系数：
如果已知循环基数N0和疲劳极限（r r ），则
N次循环时的疲劳极限为：
rN
m
N0 N
r
kN r
rN
m
N N
0 0
r
kN r
式中：
kN
m
N0 N
——寿命系数。
3.2.2材料的σa —σm曲线
用材料的标准试件实验,m-a曲线表达的是在不同
循环特性r的应力作用相同的次数N，材料的疲劳极限应