大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：机械零件的疲劳强度的提高策略及应用前景
层 次： 专科起点本科
专 业： 机械设计制造及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年5月30日
内容摘要
机械零件的抗疲劳破坏是造成机械运行故障的主要原因。提高机械零件的抗疲劳强度，应注重选择材料和降荷、降温设计，避免及减缓应力集中、改善零件表面的抗疲劳性能(考虑振动设计等。本文以机械零件的疲劳瑧强度计算方法为切入点瑱，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数瑱，然后推导出变应力计算公式瑱，进而讨论影响疲劳瑧强度的因素以及提高疲劳瑧强度的解决措施瑱，最后介绍了疲劳瑧强度在各领域中的应用瑧。
关键词：疲劳瑧强度；变应力；复合应力；可靠性
目 录
引 言
通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴瑧。根据设计经验及材料的特性瑱，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件瑱，均可按静应力强度进行设计瑧。本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳瑧瑧、影响疲劳瑧强度因素瑧、疲劳瑧强度计算等问题瑧。
1954 年瑱，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故瑱，这使得“金属疲劳瑧”一词出现在新闻头条中瑱，引起公众持久的关注瑧。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器瑱，采用的是方形窗口瑧。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹瑱，随着时间的推移瑱，这些裂纹逐渐变宽瑱，最后导致机舱解体瑧。Comet 空难夺去了68 人的生命瑱，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全瑧、坚固的设计瑧。
自此以后瑱，人们发现疲劳瑧是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的涡轮机和其他旋转设备）失效的罪魁祸首瑧。
1867年 瑱，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳瑧试验结果瑱，把疲劳瑧与应力联系起来瑱，提出了疲劳瑧极限的概念瑱，为常规疲劳瑧设计奠定了基础瑧。第二次世界大战中及战后瑱，通过对当时发生的许多疲劳瑧破坏事故的调查分析瑱，逐渐形成了现代的常规疲劳瑧强度设计瑧。1945年瑱，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论 瑧。1953年瑱，美国的A.K.黑德提出了疲劳瑧裂纹扩展理论瑧。之后瑱，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用瑱，形成了损伤容限设计瑧。20世纪60年代瑱，可靠性理论开始在疲劳瑧强度设计中应用瑧。
在常规疲劳瑧强度设计中瑱，有无限寿命设计（将工作应力限制在疲劳瑧极限以下瑱，即假设零件无初始裂纹瑱，也不发生疲劳瑧破坏瑱，寿命是无限的）和有限寿命设计（采用超过疲劳瑧极限的工作应力瑱，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的瑱，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）瑧。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下瑱，以断裂力学为理论基础瑱，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段瑱，估算有初始裂纹零件的剩余寿命瑱，并规定剩余寿命应大于两个检修周期瑱，以保证在发生疲劳瑧破坏之前瑱，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会瑧。疲劳瑧强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下瑱，保证疲劳瑧破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计瑱，使零部件的重量减轻到恰到好处瑧。
1 变应力的分类
变应力可分为随机变应力和循环变应力两大类瑱，其中循环变应力又称为周期变应力瑱，它可分为稳定循环变应力和不稳定循环变应力瑱，稳定循环变应力又有简单与复合之分瑧。如图1-1所示瑧。
图1-1 变应力的分类
随时间按一定规律周期性变化瑱，而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力瑧。如图1-2所示瑧。
图1-2 稳定循环变应力
若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图1-3所示瑱，则称为不稳定循环变应力瑧。
图1-3不稳定循环变应力
如果变化不呈周期性瑱，而带有偶然性瑱，则称为随机变应力瑱，如图1-4瑧。
图1-4 随机变应力
2 变应力参数
图2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律瑧。
图2 稳定循环变应力
零件受周期性的最大应力σmax及最小应力σmin作用瑱，其应力幅为σa瑱，平均应力为σm瑱，它们之间的关系为瑧。
其中：σmax为变应力最大值瑱，σmin为变应力最小值瑱，σm为平均应力瑱，σa为应力幅瑱，r为循环特性(或称变应力不对称系数) 瑱，表示变应力的变化性质瑧。
上列各式中的σmax和σmin指应力绝对值的最大和最小瑱，但代入公式中时瑱，应带有本身正负号瑧。
图2b所示变应力瑱，平均应力σm＝0瑱，而σmax＝-σmin瑱，因此瑱，r＝-1瑱，这类应力称为对称循环变应力瑧。
图2d所示变应力瑱，σmin＝0瑱，σa＝σm瑱，而σmax＝2σa＝2σm瑧。此时瑱，r＝0瑱，这类应力称为脉动循环变应力瑧。
当σmax与σmin接近或相等时瑱，σa接近或等于零瑱，此时循环特征r＝+1瑱，这类应力称为静应力瑧。
除去对称和脉动循环变应力以及静应力外瑱，其他类型的变应力称为非对称循环变应力(图2c)瑧。
下面举例计算瑱，如已知σmax为200N/mm2瑱， r为-0.5瑱，
那么σmin瑧、σa瑧、σm应该为：
3 疲劳曲线
变应力的循环特征r瑱，应力幅σa和循环次数N对零件的疲劳瑧强度都有影响瑧。零件在同一最大应力水平时瑱，r值越大瑱，或σa越小瑱，或N越少瑱，它的疲劳瑧强度越高瑧。
疲劳瑧曲线是应力循环次数N与疲劳瑧极限的关系曲线瑧。
线性坐标上的疲劳瑧曲线 对数坐标上的疲劳瑧曲线
图3-1疲劳瑧曲线
曲线上各点表示在相应的循环次数下瑱，不产生疲劳瑧失效的最大应力值瑱，即疲劳瑧极限应力瑧。从图上可以看出瑱，应力越高瑱，则产生疲劳瑧失效的循环次数越少瑧。
在作材料试验的时候瑱，常取一规定的应力循环次数N0瑱，称为循环基数瑱，把相应于这一循环次数的疲劳瑧极限瑱，称为材料的持久疲劳瑧极限瑱，记为σ-1瑧。
疲劳瑧曲线可分为两个区域：有限寿命区和无限寿命区瑧。所谓的无限寿命瑱，是指零件承受的变应力水平低于或者等于材料的疲劳瑧极限σ-1瑱，工作应力总循环次数可大于N0瑱，零件将永远不会产生破坏瑧。
在有限寿命区的疲劳瑧曲线上瑱，N<N0对应的各点的应力值瑱，为有限寿命下的疲劳瑧极限瑧。
对低碳钢而言瑱，循环基数N0=106—107；
对合金钢及有色金属瑱，循环基数N0=108瑧。
变应力σ与在此应力作用下断裂时的循环次数N之间有下列关系：
4 影响疲劳强度的因素
影响疲劳瑧强度的因素主要有如下几个方面：
4.1应力集中的影响
前边提到的各疲劳瑧极限 瑱，实际上是材料的力学性能指标瑱，是用试件通过试验测出的瑧。
现今社会瑱，由于应力集中造成构件断裂瑱，产生疲劳瑧瑱，对结构安全危害大瑧。了解应力集中瑱，并找出其避免措施瑱，对人们的生活具有重大的意义瑧。
首先瑱，先让我们了解一下应力与应力集中的概念瑱，应力即受力物体截面上内力的集度瑱，即单位面积上的内力瑧。公式记为σ=F/S (其中瑱，σ表示应力；F 表示施加的力；S表示受力面积)瑧。材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳瑧破坏瑧。即使材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时瑱，破坏也可能发生瑧。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大瑱，这种现象称为应力集中瑧。对于由脆性材料制成的构件瑱，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前瑧。因此瑱，在设计脆性材料构件时瑱，应考虑应力集中的影响瑧。对于由塑性材料制成的构件瑱，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响瑧。所以瑱，在研究塑性材料构件的静强度问题时瑱，通常不考虑应力集中的影响瑧。承受轴向拉伸瑧、压缩的构件瑱，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内瑱，横截面上的应力才是均匀分布的瑧。
然而实际工程构件中瑱，有些零件常存在切口瑧、切槽瑧、油孔瑧、螺纹等瑱，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化瑧。如开有圆孔和带有切口的板条瑱，当其受轴向拉伸时瑱，在圆孔和切口附近的局部区域内瑱，应力的数值剧烈增加瑱，而在离开这一区域稍远的地方瑱，应力迅速降低而趋于均匀瑧。这时瑱，横截面上的应力不再均匀分布瑱，这已为理论和实验证实瑧。
如图4-1【a】所示的带圆孔的板条瑱，使其承受轴向拉伸瑧。由试验结果可知：在圆孔附近的局部区域内瑱，应力急剧增大瑱，而在离开这个区域稍远处瑱，应力迅速减小而趋于均匀（图4-1【b】）瑧。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中瑧。在Ⅰ-Ⅰ截面上瑱，孔边最大应力σmax与同一截面上的平均应力σ之比瑱，用表示为
