第2章机械零部件设计中的强度与耐磨性
机械零部件耐磨性优化设计与仿真分析
机械零部件耐磨性优化设计与仿真分析摘要：机械零部件的耐磨性对于提高机械设备的寿命和性能至关重要。
传统的设计方法往往无法满足对耐磨性的要求，因此需要采用优化设计方法和仿真分析技术来提高零部件的耐磨性。
本文旨在研究耐磨性优化设计方法和仿真分析技术，并通过实际案例分析，探讨其应用前景和技术发展趋势。
关键词：机械零部件；耐磨性；优化设计一、引言本文针对机械零部件的耐磨性优化设计与仿真分析进行了研究。
首先回顾了传统设计方法，然后介绍了优化设计方法，并提出了优化设计流程。
接着，介绍了耐磨性仿真分析技术的原理、软件和参数设置。
然后通过一个实际案例，制定了耐磨性优化设计方案，并分析了仿真分析的结果。
最后，展望了耐磨性优化设计与仿真分析在工程实践中的应用前景。
二、耐磨性优化设计方法2.1 传统设计方法回顾传统设计方法在机械零部件的耐磨性设计中存在一些局限性。
传统设计方法主要依赖于经验和试错的方式，缺乏系统性和科学性。
设计师通常根据自己的经验和直觉进行设计，缺乏理论指导和科学依据。
这种方法往往需要进行多次试验和修改，耗费时间和资源。
而且，传统设计方法无法全面考虑各种因素的综合影响，很难达到最优设计的效果。
因此，需要引入优化设计方法来提高耐磨性设计的效率和准确性。
2.2 优化设计方法介绍通过数学优化算法来寻找最优设计方案。
优化设计方法可以考虑多个设计变量和约束条件，综合考虑各种因素的影响，从而得到最优设计结果。
优化设计方法可以提高设计效率，减少试验和修改的次数，节省时间和资源。
同时，优化设计方法还可以通过仿真分析来评估不同设计方案的性能，为设计决策提供科学依据。
2.3 优化设计流程优化设计流程包括问题定义、建立数学模型、选择优化算法、求解最优解和验证优化结果等步骤。
首先，要明确定义设计目标和约束条件，确定设计变量和参数。
然后，建立数学模型，将设计问题转化为数学表达式。
接着选择适合问题的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。
机械设计第二章
破坏正常工作条件引起的失效 胶合
打滑、共振、
机械电子工程学院
机械零件失效的实例：
齿轮轴断裂 整体塑变
轮齿磨损
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机械零件失效的实例：
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
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轴承外圈塑性变形
机械零件失效的实例：
被联件拉断
被联件相对滑移
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轴瓦磨损
齿面接触疲劳
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2. 经验设计
根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱
体的结构设计
2016/12/27
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3. 模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺
寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。
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第八节 机械零件设计的一般步骤
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机械电子工程学院
四、质量小的要求
减小零件质量的好处： 节约材料。 减小惯性；改善机器的动力性能。 便于运输。
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五、可靠性要求
机械零件设计过程中存在不确定因素 参数不确定性：尺寸参数（制造精度） 设计参数（数据不足）
模型不确定性： （1）材料各向同性；
（2）小变形及线弹性；
（3）简化的简支梁； （4）圆柱体接触； （5）齿轮都是刚性体。
编制技术文件
第二节
机器的运动学设计
设计机器的一般程序
根据确定的结构方案 确定原动件参数（功率、转速、线速度） 确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）
机器的动力学计算
计算各主要零件所受的名义载荷
零件的工作能力设计
依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部 件的基本尺寸
机械零部件设计中的强度与耐磨性
欢迎来到本次演讲，我们将探讨机械零部件设计中的强度和耐磨性，了解其 定义、测试方法以及提高方法。
强度和耐磨性的定义
1 强度
指材料或结构在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
2 耐磨性
指材料或结构在摩擦和磨损条件下的耐用程度。
影响机械零部件强度的因素
材料
选择合适的材料，如高强度 合金或特殊合金，以满足设 计要求。
提高机械零部件强度和耐磨性的方法
采用先进材料
优化设计Βιβλιοθήκη 选择性能更好的材料，如高强度合金或复合材料。 通过优化几何形状和尺寸，减少应力集中，提 高强度和耐磨性。
表面处理
采用表面处理技术，如渗碳和氮化，增强材料 的表面硬度和耐磨性。
热处理
通过热处理工艺，如淬火和回火，提高材料的 强度和耐磨性。
结论
强度和耐磨性是机械零部件设计中至关重要的考虑因素。通过合适的材料选择、优化的设计和适当的处 理方法，我们可以提高零部件的性能和耐久度。
几何形状
设计零部件的形状和尺寸， 以减少应力集中和增加强度。
加工工艺
采用先进的加工工艺，如热 处理或表面处理，以增强材 料的强度。
常用的强度测试方法
拉伸试验
通过施加拉力来测试材料 的强度和延展性。
压缩试验
通过施加压力来测试材料 的抗压能力。
扭转试验
通过施加扭转力来测试材 料的抗扭能力。
常见的耐磨性测试方法
1
滑动磨损试验
模拟零部件在滑动摩擦条件下的耐磨性。
2
磨损试样重量损失测试
通过测量试样在磨损过程中的重量损失来评估耐磨性。
3
磨损痕迹观察
观察材料或结构在磨损条件下产生的磨痕，评估其耐磨性。
机械零件的耐磨性
机械零件的耐磨性简介机械零件的耐磨性是指机械零件在长期使用中对摩擦和磨损的抵抗能力。
随着机械设备的日益广泛应用，提高机械零件的耐磨性对于提高机械设备的使用寿命和性能至关重要。
在机械设备中，零件之间会发生摩擦和磨损现象，如轴承与轴颈的摩擦、齿轮与齿轮之间的磨损等。
如果机械零件的耐磨性不够，那么摩擦和磨损会导致机械设备的故障和损坏，从而影响设备的正常运行。
因此，研究和改善机械零件的耐磨性是一个重要的工作，本文将介绍一些提高机械零件耐磨性的方法和技术。
提高零件表面硬度表面硬度是影响机械零件耐磨性的关键因素之一。
通常情况下，机械零件的表面硬度要大于零件内部的硬度，以确保在摩擦和磨损中能够保持较好的耐磨性。
有多种方法可以提高零件的表面硬度，其中包括热处理、表面喷涂和表面改性等。
热处理是一种经过加热和冷却处理的方法，可以改变材料的晶体结构和硬度。
表面喷涂是将耐磨材料喷涂到零件表面，形成一层硬度较高的保护层。
表面改性则是通过改变表面的组织结构和化学成分来提高表面硬度。
使用耐磨材料选择合适的材料也是提高机械零件耐磨性的重要因素。
一些材料具有较高的耐磨性，如工程塑料、耐磨合金和陶瓷材料等。
工程塑料具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和低摩擦系数，常用于制造零件表面或轴承等部件。
耐磨合金则是一类具有较高硬度和耐磨性能的合金材料，常用于制造高负荷和高速运转的零件，如齿轮、凸轮等。
陶瓷材料具有优异的耐磨性和高硬度，常用于制造高速机械设备中的零件和轴承。
选择适当的材料可以最大限度地提高零件的耐磨性，并确保机械设备的正常运行。
优化表面润滑润滑也是提高机械零件耐磨性的重要手段之一。
通过优化润滑系统、选择合适的润滑剂和润滑方式，可以减少零件表面的摩擦和磨损。
润滑剂有多种选择，如油脂、液体润滑剂和固体润滑剂等。
油脂常用于低速、中小负荷和温度条件下的零件润滑。
液体润滑剂则适用于高速、高负荷和温度变化较大的零件润滑。
固体润滑剂常用于高温和高速的零件润滑，如涂层润滑剂和固体润滑膜等。
机械零件的强度
机械零件的强度引言机械零件是由材料制成的组成机械装置的部件。
为了保证机械装置的可靠性和安全性，机械零件的强度是一个非常重要的指标。
本文将介绍机械零件的强度及其相关知识。
机械零件的强度概述机械零件的强度是指零件能够承受的最大外力或最大应力。
在设计和制造机械零件时，需要考虑零件将承受的作用力和应力，以确保零件的强度能够满足设计要求。
强度与材料的关系机械零件的强度与所选用的材料有密切关系。
不同的材料具有不同的强度特性，如延性、硬度和可塑性等。
在选择材料时，需要考虑零件的工作环境、载荷和特殊要求，以确定适用的材料。
强度计算计算机械零件的强度是设计过程中的重要一环。
通常，强度计算可以采用材料的力学性质和几何尺寸进行分析。
以下是一些常用的强度计算方法：应力计算在机械零件的设计过程中，常常需要计算零件内的应力分布。
应力是作用在材料上的力与材料截面积的比值，可以用公式σ=F/A计算。
失效判据机械零件的强度设计还需要考虑零件的失效情况。
常见的失效模式有弯曲、疲劳和断裂等。
为了避免失效，需要采用适当的失效判据来进行强度设计。
安全系数在进行强度计算时，通常还应考虑安全系数。
安全系数是指实际工作载荷与零件所能承受的最大载荷的比值。
合理的安全系数能够确保零件在工作过程中不会超过其强度极限。
强度测试为了验证机械零件的强度设计是否合理，常常需要进行强度测试。
强度测试可以通过实验室测试、数值模拟和现场监测等方法进行。
测试结果可以用于评估零件的强度性能和寿命预测。
强度改进和优化在机械设计中，强度改进和优化是一个不断进行的过程。
通过不断改进材料的选择、结构设计和加工工艺等方面，可以提高机械零件的强度性能，延长零件的使用寿命。
结论机械零件的强度是确保机械装置可靠运行的关键因素之一。
了解机械零件的强度特性、强度计算、强度测试和强度改进等知识，对于机械设计工程师和制造工程师来说，都是非常重要的。
只有通过合理的强度设计和优化，才能保证机械零件在工作过程中不会出现失效和故障，从而保证机械装置的正常运行和使用寿命。
机械零部件性能测试与验证
机械零部件性能测试与验证机械零部件的性能测试与验证在工程领域中起着至关重要的作用，它不仅可以确保产品的质量和可靠性，还可以为产品的设计和制造提供指导。
本文将探讨机械零部件性能测试与验证的重要性以及其在实际应用中的一些方法和技术。
一、性能测试的重要性机械零部件是许多机械装置和设备的核心组成部分，其性能直接影响到整个系统的运行效果。
因此，对于机械零部件的性能测试与验证具有重要意义。
首先，性能测试可以确保机械零部件的质量和可靠性。
通过对零部件的各项性能指标进行全面的测试，可以发现潜在问题和不足之处，并及时进行改进和优化，从而提高零部件的质量和可靠性。
例如，对于一个负责承载重量的机械零部件来说，其强度和耐磨性是至关重要的指标。
通过相关性能测试，可以确保该零部件能够在实际应用中承受大量的载荷，并经受住摩擦和磨损的考验。
其次，性能测试可以为机械零部件的设计和制造提供指导。
通过对性能测试数据的分析和比对，可以评估和验证设计方案的合理性和可行性，并及时修正和改进。
同时，性能测试数据还可以为制造工艺的优化提供重要依据，从而实现生产效率的提高和成本的降低。
例如，通过对某机械零部件的疲劳寿命进行测试，可以确定其最佳设计参数和材料选择，以确保零部件在长时间使用过程中不会因疲劳而失效。
二、性能测试的方法和技术机械零部件的性能测试可以通过多种方法和技术进行。
下面将介绍几种常见的性能测试方法。
首先是结构强度测试。
对于需要承受载荷的机械零部件来说，其结构强度是一个重要的指标。
结构强度测试可以通过静态加载试验和动态冲击试验来进行。
静态加载试验可以模拟实际工作中的载荷情况，通过加载到一定的载荷下观察零部件的变形和破坏情况，以评估其结构强度。
动态冲击试验则可以模拟零部件在工作中受到的冲击和振动情况，以评估其抗冲击性能和抗振动能力。
其次是耐磨性测试。
对于一些需要在高摩擦环境下使用的机械零部件来说，其耐磨性是一个重要的指标。
耐磨性测试可以通过滑动磨损试验和磨损损耗试验来进行。
零件结构设计的基本要求和内容
零件结构设计的基本要求和内容集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）零件结构设计的基本要求摘要：本文介绍零件结构设计的基本要求，限于篇幅，主要介绍零件设计的功能使用要求和为了实现这些要求而采取的一些措施。
关键词：零件结构设计要求措施正文：一、功能使用要求设计机械或零件必须首先满足其功能和使用要求。
机械的功能要求，如运动范围和形式要求、速度大小和载荷传递都是由具体的零件来实现的。
除传动要求外，机械零件还需要有承载、固定、链接等功能；零件结构设计应满足强度、刚度、精度、耐磨性及防腐等使用要求。
1、提高强度和刚度的结构设计为了使机械零件能正常工作，在设计的整个过程中都要保证零件的强度和刚度能满足要求。
对于重要的零件要进行强度和刚度计算。
静强度的计算指危险截面拉压、剪切、弯曲和扭剪应力的计算；静刚度的计算指相对载荷或应力下的变形计算。
两者均与零件的材料、受力和结构尺寸密切相关。
通过合理选择机械的总体方案使零件的受力合理，特别是通过正确的结构设计使它所受的应力和产生的变形较小可以提高零件的强度和刚度，满足其工作能力的要求。
合理的计算有助于选择最佳方案，但同时也要考虑零件在加工、装拆过程中保证足够的强度和刚度要求。
（1）通过结构设计提高静强度和刚度的措施1）改变受力a)改变受力情况，降低零件的最大应力b)载荷分担将一个零件所受的载荷分给几个零件承受，以减少每个零件的受力。
c)载荷均布：通过改变零件的形状，改善零件的受力；采用挠性均载元件；提高加工精度。
d)其他的载荷抵消或转化措施，采取措施使外载荷全部或部分地相互抵消，有化外力为内力、用拉伸代替弯曲等。
2）改变截面a)采用合理的断面形状，在零件材料和受力一定的条件下，只能通过结构设计，如增大截面积，增大抗弯、抗扭截面系数来提高其强度。
b)用肋或隔板，采用加强肋或隔板科提高零件、特别是机架零件的刚度3）利用附加结构措施改变材料内应力状态，通过加强附加结构措施使受力零件产生弹性强化或塑性强化来提高强度。
机械设计中的摩擦和磨损问题
机械设计中的摩擦和磨损问题机械设计中摩擦和磨损问题一直是工程师们关注的焦点。
摩擦和磨损的存在直接影响着机械设备的性能、寿命和可靠性。
本文将就摩擦和磨损问题在机械设计中的影响及其解决方法进行探讨。
1. 摩擦的定义与分类摩擦可以被定义为两个物体表面相互接触并发生相对运动时的力的阻碍。
按照摩擦力的起因和性质，摩擦可以分为干摩擦、液体摩擦和边界摩擦。
干摩擦是指物体表面在无润滑剂存在的情况下直接接触产生摩擦力；液体摩擦发生在润滑剂的存在下，液体形成摩擦层减小物体直接接触带来的摩擦力；边界摩擦是相对于干摩擦和液体摩擦的一种摩擦形式，润滑剂无法形成稳定的摩擦层，导致物体表面间的直接接触。
2. 摩擦的影响及解决方法摩擦力的产生会导致机械设备的性能下降和能源浪费。
为了解决摩擦的问题，工程师们采取了一系列的解决措施：2.1 使用润滑剂润滑剂的使用是减小摩擦力的常见解决方法之一。
润滑剂可以在物体表面形成一个摩擦降低的薄膜，减小表面接触，其分子结构可吸附在金属表面，在外加力下形成晶格变形而起到润滑作用。
有机润滑剂可分为固体、液体和气体，根据不同的应用场景选择适当的润滑剂。
2.2 采用合适的材料和涂层在机械设计中，选择适当的材料和涂层对减小摩擦起着重要的作用。
例如，使用高硬度表面涂层，可以减少物体表面间的接触，降低摩擦和磨损。
在特殊的应用场景中，还可以使用减摩降噪材料，如聚四氟乙烯（PTFE）等，以提高机械设备的性能。
3. 磨损的定义与分类磨损是指物体表面与外力作用下相互滑动或接触产生的材料损耗。
根据磨损机制和特征，磨损分为磨粒磨损、疲劳磨损、热磨损和化学磨损等几种类型。
4. 磨损的影响及解决方法磨损的存在会加速机械设备的老化，降低使用寿命。
为了解决磨损问题，以下方法常常被工程师们采用：4.1 加强材料硬度增加材料硬度是减少磨损的一种方法。
高硬度的材料可以有效降低磨粒对工作表面的损伤。
在一些高负荷和高速运动的设备上，使用高硬度材料来制造关键零部件可以显著提高耐磨性。
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磨削
精车
0.6
粗车
0.4 未加工
0.2
400 600 800 1000 1200 1400
表面高σ频B淬/ M火p的a 强化系数βq
试件种类
试件直径/mm
无应力集中
7~20 30~40
1.3~1.6 1.2~1.5
有应力集中
7~20 30~40
1.6~2.8 1.5~5
综合影响系数
试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只对应 力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对 静应力没有影响）
折线ADEC
即为零件的极限 应力线。
D
D
3.单向稳定变应力时的疲劳强度计算
σa
进行零件疲劳强度计算时，首先根据
零件危险截面上的 σmax 及 σmin确定平均 应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力
σσ-1-1e A
D
线图的坐标中标示出相应工作应力点M 或N。两种情况分别讨论
2．应力的分类
静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 变应力: 随时间变化的应力。
描述稳定循环变应力有5个参量，应力幅σa、平均应力σm 、 最小应力σmin 、最大应力σmax和循环特性系数r。但其中只有两 个参数是独立的。 注意:应力循环次数N。
2．应力的分类
非对称循环变应力
2．应力的分类
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：
K
K D
零件的疲劳极限为：
K K D
1
1 e
KD
1
1 e
KD
2.3 机械零件的疲劳强度
二.机械零件的疲劳强度计算
2. 零件的极限应力线图
注：由于E′C段 属于静强度，而
静强度不受 KD
的影响，故不需修正。
用应力集中系数 计入应力集中的影响 。
理论应力集中系数 ： 、 。
有效应力集中系数 ：K 、K 。
注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的 应力集中系数进行计算。
有效应力集中系数kσ
ασ
ατ
2）尺寸的影响 零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，
产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而 使零件的疲劳强度降低。
2）极限应力图的用途：在于根据 1 确定非 对称循环应力下的疲劳极限以计算安全系数。
3）对于切应力，只需将各式中的 换成 即可。
2.3 机械零件的疲劳强度
二.机械零件的疲劳强度计算
1. 影响零件疲劳强度的主要因素
影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个： 1）应力集中的影响
机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。 从而导致零件的疲劳强度下降。
教学重点: 1、稳定循环应力类型及参量； 2、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。
2.2 机械设计中的强度问题
强度→工作应力 ≤ 许用应力 载荷（应力） 材料
一.载荷与应力
1.零件设计中的载荷及其分类
静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷. 变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷.
注意:在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计 算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。
σmax
σB A B
在AB段，应力循环次数<103 ，
C
σmax变化很小，可以近似看
作为静应力强度。
N
BC段，N=103～104，随着
N=1/4 103 104
N ↑ → σmax ↓ ,疲劳
现象明显。
因N较小，特称为：低周疲劳。
N﹥104，高周疲劳
σmax σB A B
C
σr
N=1/4 103 104
在疲劳强度计算中，取 lim ＝ rN 。
2.3 机械零件的疲劳强度
一.材料的疲劳特性
1、 －N疲劳曲线 用参数σmax表征材料的疲劳极限，通过实验，可
得出如图所示的疲劳曲线。称为：－N疲劳曲线
σmax
N
－N疲劳曲线
一.材料的疲劳特性
1、 －N疲劳曲线
在原点处，对应的应力循环
次数为N=1/4。
D N
N0≈107
CD段，随着N ↑ → σmax ↓，代表有限寿命区，机
械零件的疲劳大多发生在CD段。
Dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区。
σrN σr
N N0
2.3 机械零件的疲劳强度
一.材料的疲劳特性
2、 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）
注：1）疲劳曲线的用途：在于根据 r 确定某个 循环次数 N 下的条件疲劳极限 rN 。
纹逐渐扩展；
▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。
粗糙的脆性 断裂区
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
疲劳断裂具有以下特征：
▲ 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低，甚至比屈服极限低;
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
2.3 机械零件的疲劳强度
一.材料的疲劳特性
两个概念： 1）疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。
2）材料的疲劳极限 rN ： 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
max ( max ) 。 （变应力的大小可按其最大应力进行比较） r 不同或 N 不同时，疲劳极限 rN 则不同。
第2章 机械零部件设计中的强度 问题与耐磨性
2.1 概述 2.2 机械设计中的强度问题 2.3 机械零件的疲劳强度 2.4 机械零件的表面接触强度 2.5 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题
教学目标和教学重点
教学目标: 1、掌握载荷和应力的分类； 2、熟悉机械零件强度的基本概念； 3、掌握材料的疲劳特性； 4、了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。
对称循环变应力
2．应力的分类
脉动循环变应力
2．应力的分类
静应力
2.3 机械零件的疲劳强度
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
疲劳断裂过程：
初始裂纹
光滑疲劳区
粗糙的脆性 断裂区
疲劳断裂截面
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 光滑疲劳区
疲劳断裂过程：
▲零件表层产生微小裂纹；
▲随着循环次数增加，微裂
用尺寸系数 、 ，计入尺寸的影响。
3）表面质量的影响
表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺 效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺 （渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高 零件的疲劳强度。
用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。
钢材的表面质量系数βσ
βσ 1.0
抛光
0.8