【正文】 一定條件下考慮到應(yīng)力集中的影響而計算出的應(yīng)力 ，叫做計算應(yīng)力 ca? 。在高溫狀態(tài)下工作的零部件，應(yīng)以相 應(yīng)的溫度以及 變形 速度下的蠕變極限作為極限應(yīng)力。 （ 2）與材料 極限 應(yīng)力相關(guān)的因素 a、材料機械性能 本身 的變化 機械性能的最小值 Smin 與平均值 Sm 之間的關(guān)系為： Smin≈ b、零 件尺寸效應(yīng)的不確定性 c、不同的毛坯制取方法及機械加工工藝對材料機械性能的影響 （ 3）與 零件 重要性相關(guān)的因素 a、人 身 安全件 b、引起嚴(yán)重設(shè)備事故件 c、機械停車修理，不致引起事故 d、不會造成設(shè)備立即停機的件 一般考慮諸多因素， n可以在 ～ 4 之間 選擇 提高強度的原則措施（ 4 個方面） （ 1）增大零件危險截剖面的尺寸，合理設(shè)計剖面的形狀，以增大剖面面積和慣性矩 JZ 2ZFFJ y d?? / ZMy J??? 抗彎截面矩量 11/MW? ? 22/MW? ? （ 2）采用機械性能較高的材料，對材料進行提高強度性能及降低或消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理，控制加工工藝，以 減小 或消除微觀缺陷及內(nèi)應(yīng)力； （ 3）盡可能降低作用于零部件上的載荷，例如減小軸的支承跨距，以降低作用彎矩，采用減震結(jié)構(gòu)，以降低沖擊載荷等； （ 4）細(xì)致的設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)，以降低應(yīng)力集中的 程度 。 位移 y≤［ y］ 彎曲撓度 θ≤［θ］ 撓轉(zhuǎn)角 ψ≤［ψ］ 主要措施為適當(dāng)增大零件剖面尺寸，改善剖面形狀，增大剖面慣性矩，采用多支點，增加強筋，增大貼合面積，降低不平度，提高接觸強度（詳見材料力學(xué)第八章彎曲時的變形超靜定梁公式表 81） （三）壽命 零件的壽命反映強度、剛度、精度喪失，疲勞對壽命影響后面再行討論，現(xiàn)之就磨損壽命作如下說明： 11 零件的磨損過程可用右圖所示的磨損曲線來說明，縱坐標(biāo)標(biāo)識磨損量 m，（利用被磨下的微粒的質(zhì)量或磨損厚度），橫坐標(biāo)表示時間 t(相當(dāng)于壽命 )dm/dt 表示磨損速度。磨損速度和磨損量最快最大，隨著表面 不平 度逐漸減小，吻合度增大，接觸面積不斷增大，再加上表層發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生的冷作硬化作用，就會使磨損速度逐步降低。同樣，變速箱磨合完成后清箱換油，液壓油箱最后透析換油（最好建議廠 內(nèi) 試驗不裝油濾芯，待試車、跑合、鏟運、透析過濾完畢后，再裝上回油濾芯）。 B 點時，磨損的量變發(fā)展到一定階段，引起摩擦副工作性能的質(zhì)變，例如配合間隙過大而引起了過大的沖擊載荷，加速磨損（接觸壓強無限增加，材料延展，咬合加重）和相關(guān)聯(lián)件斷裂，表面微小裂縫長期發(fā)展與聯(lián)合面形成較大的脫粒，過熱引起的燒傷等，磨損量隨之迅速加大，這個階段叫做崩潰磨損階段。 相同材料的摩擦副，在咬合高溫時，能量集中點造成材料瞬間熔化，又快速冷卻，產(chǎn)生高于本體材料的硬質(zhì)團， 由于兩本體相對運動，造成一邊本體與硬質(zhì)團的過渡區(qū)斷裂，隨未斷裂本體運動硬質(zhì)凸點高比壓劃傷副面，造成更嚴(yán)重的咬合，硬質(zhì)咬合點易從那個本體脫落， 12 那個本體咬合磨損就嚴(yán)重，如軸和套的高副，軸容易磨損。 不同材料時，高溫點不易熔合，再之強度不同，易從強度低的材料分開，所以采用 輕 合金軸套， 復(fù)合套自有道理。采用軟軸承套、硬軸徑，除上述受力情況外，增加延展變形，增大了接觸面積和吻合度，減小局部比壓過高造成高溫熔化的幾率。 同時一般滑動表面均采取重度磷化來提高抗咬合 能力。 （五）重量 尺寸能減小大型件壁厚；以膠、焊取代鑄件；充分利用寬翼薄壁及空心構(gòu)件；合理設(shè)計零件形狀，選用強重比高的輕型結(jié)構(gòu)；充分利用熱處理及其它強化處理方法；以及更精確的設(shè)計計算，使物盡其用。 三、機械零件的材料及其選擇原則 （一）黑色金屬：鐵的合金統(tǒng)稱黑色金屬 材料的強度及塑性 1）表示強度的指標(biāo)有：強度極限σ b，屈服極限 σ s，疲勞極限 σ r 材料在變形過程中有無屈服現(xiàn)象是劃分材料為塑性或脆性的 一個標(biāo)準(zhǔn)，有的材料不一定像低碳鋼一樣有明顯的屈服現(xiàn)象，但卻有塑性變形，因而規(guī)定按永久變形達(dá)到 %時的應(yīng)力值作為屈服極限， σ 。 操縱連桿下部機構(gòu)脆性斷裂 2）衡量塑性高低的數(shù)量指標(biāo)通常有兩個，延伸率 δ及剖面收縮率φ，通常把有效長度為直徑五倍的試件的延伸率δ 5大于 5%的材料叫做塑性材料，延伸率越大，剖面收縮率越高，塑性也就越高。 高溫：工作溫度 約在母體金屬熔點絕對溫度的四分之一以上時均屬高溫（鋼材約 450K 以上，鋁合金 570K 以上，銅合金 350K 以上）。 B、變形速度 變形速度增加，強度和屈服強度增加。 C、冷作硬 化 凡是在冷態(tài)下的塑性變形時對鋼材進行加工時（如冷拉或冷擠壓），均可使材料的塑性降低和強度提高。 有些冷塑性加工要在材料表層產(chǎn)生拉伸內(nèi)應(yīng)力，這對于材料的抗疲勞強度是不利的，可采用再結(jié)晶熱處理或噴丸以提高疲勞強度 （存在與冷塑變形的受力方向是兩個概念） 。 常用 沖擊值 ka 因為材料在彈性變形范圍內(nèi)所吸收的能量比在塑性變形范圍內(nèi)所吸收的要小的很多，斷裂口呈脆性破壞特性的材料均具 有極低的沖擊值，幾乎或完全無塑性變形，而斷口呈塑性變形破壞的材料，其沖擊值明顯高得很多，因此也可以按沖擊值來衡量材料的塑性。 由塑性變脆性的溫度范圍稱為轉(zhuǎn)變溫度，以轉(zhuǎn)變溫度范圍的中點 b 作為轉(zhuǎn)變溫度的值。 鋼材的 布氏 硬度值和拉伸強度極限之間存在著一個相當(dāng)準(zhǔn)確的近似經(jīng)驗關(guān)系 B 10HB3? ? N/mm2 查不到材料的拉伸強度時，可用上式進行估算 對常用調(diào)質(zhì)剛來講，通過熱處理可以得到不同的硬度和強度，達(dá)到規(guī)定用途的使用目的，參看 下圖： 17 四、機械材料的強度計算基礎(chǔ)（參考材料力學(xué)） 一）變應(yīng)力及材料的疲勞極限 變應(yīng)力 參數(shù) 四種不同的應(yīng)力變化規(guī)律 ζζ0ζ ζζζ0ζζ A 對稱循環(huán)應(yīng)變力 b 變號時不對稱循環(huán)應(yīng)變力 18 ζζζ0ζ ζζ0ζζζ C 零循環(huán)應(yīng)變力 d 不變號不對稱循環(huán)應(yīng)變力 σ max—— 變應(yīng)力最大值， σ max=σ m+σ a σ min—— 變應(yīng) 力最小值， σ min=σ mσ a σ m—— 平均值， σ m=（σ max+σ min） /2 σ a—— 應(yīng)力幅， σ a=（σ maxσ min） /2 r—— 應(yīng)力循環(huán)特性， r=σ min/σ max 取 拉伸為正應(yīng)力，壓縮為負(fù)應(yīng)力。 二）疲勞極限 在特定的循環(huán)特征 r 時，應(yīng)力循環(huán) N 次不致使材料發(fā)生疲勞破壞的變應(yīng)力的最大值 rN? 稱為循環(huán)次數(shù) N 時的疲勞極限。鐵合金的 Nc 約在 106～ 107 之間，對于高硬度和高強度鋼材的接觸疲勞來說， Nc有時卻高達(dá) 25 107或 1010，對于輕合金，疲勞極限隨循環(huán)次數(shù) N的增加而不斷增加，沒有對應(yīng)的 r??這一類材料可取 No=（ 50～ 100） 106作為循環(huán)基數(shù)，如下圖所示 （ 53） ： 上述 Vc時的疲勞極限σ rNc 稱為有限壽命疲勞極限。把上圖疲勞曲線繪制在對數(shù)坐標(biāo)上，如下圖 （ 54） ： 20 直線 AB 上任何一個點的縱坐標(biāo)值都代表在一定循環(huán)次數(shù) N（ N Nc）時的疲勞極限σ rN稱為有限壽命疲勞極限，直線 AB 的方程式為： rNmNC? ? 或求對數(shù) /r N Nm lg lg C?? ? ? 式中 M、 C、 C/為實驗常數(shù)，其值隨材料性質(zhì)、試件形狀和試驗條件等不同而異，當(dāng) N≤ Nc 時，上圖中 rN r0lg lg 1lg N lg N M??? ?? （ 1M 為 AB 線的斜率） r N r 0M l g l g l g N l g N?? ?（ ） = 都除 lg ，則 MrN 0rNN?? ?（ ） MrN r 0NN??? M 0rN r NN??? 當(dāng) N Nc 時 ： rN r???? 結(jié)構(gòu)鋼彎曲時的 M 及 N0 值： 試驗件條件 M N0 拋光 的無應(yīng)力集中的試件 9～ 18 （ 1～ 4） 106 拋光的有應(yīng)力集中的試件 6～ 10 （ 1～ 4） 106 有壓配零件的軸 6～ 10 （ 6～ 10） 106 表面強化處理的件 18～ 20 （ 1～ 5） 106 對于中等尺寸的剖面，鋼制零部件受彎曲時，取 M=9 N0=5 106 對于較大尺寸的剖面 取 M=9 N0=107 并取 Nc= N0 上表可以看出，如果表面強化，疲勞強度可以隨 N 的減小大幅提高。 根據(jù)式 M 0rN r NN??? 6 221 65 1 0 3 6 . 7 K N / c m 3 6 7 N / m m10? ? ?? ? ?96（ 10 ） = 21 6 221 55 1 0 4 7 .4 K N / c m 4 7 4 N / m m10? ? ?? ? ?95（ 10 ） = 6 221 45 1 0 6 1 . 3 K N / c m 6 1 3 N / m m10? ? ?? ? ?94（ 10 ） = 對于變應(yīng)力時極限應(yīng)力的變化圖簡介： 應(yīng)力副 max mina 2??? ?? max minm 2??? ?? 不同循環(huán)特性的疲勞極限的平均應(yīng)力 /m? 及應(yīng)力副 /a? 繪成如下曲線，可得變應(yīng)力極限應(yīng)力曲線（ P61 中） 右 圖， ADEB 曲線為 r =1 到到 r =1，的疲勞極限線，縱坐標(biāo)為應(yīng)力副值 ai? ，對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為相應(yīng)的疲勞強度值。 從 C 點做作與橫坐標(biāo)軸夾角為 45176。 在 C 下線上各點所代表的應(yīng)力 a M S? ? ???， 在 FOC 三角形內(nèi)任何一點的應(yīng)力，其最大值不會超過屈服極限，但在 AEF 三邊形內(nèi)，最大應(yīng)力已超過了疲勞極限，因而也是不安全的。 在幾何不連續(xù)處的極小區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力急劇增高的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力集中，引起應(yīng)力集中的幾何不連續(xù)因素稱為應(yīng)力集中源，從而引出理論（幾何）應(yīng)力集中系數(shù) ?? 、 ?? ，其定義為最大應(yīng)力與公稱應(yīng)力的比值。 齒輪花鍵軸孔與花鍵軸的配合應(yīng)力集中屬剪切應(yīng)力集中，傳遞扭矩的應(yīng)力集中主要產(chǎn)生在臺階軸過渡臺階處的 R 表面 粗糙度上，當(dāng)產(chǎn)生表面應(yīng)力時對疲勞強度影響很大，我們知道的常規(guī)提高疲勞強度的方法有：拋丸處理、表面淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲，高頻淬火，其目的是得到表面壓應(yīng)力，此種處理主要目的是在公稱應(yīng)力為拉應(yīng)力時在表面與殘余壓應(yīng)力疊加，表面實際應(yīng)力比無殘余應(yīng)力時要小，使應(yīng)力分布向內(nèi)層轉(zhuǎn)移，使受力面應(yīng)力均勻化，從而降低了應(yīng)力集中系數(shù)，注意當(dāng)引用理化方法，使零件受力截面引入殘余應(yīng)力時，危險點殘余力的方向與工作載荷方向應(yīng)相反，當(dāng)處理壓力應(yīng)力集中的問題時，引入表 面 壓應(yīng)力殘余將使 問題 更加惡化，但對于接觸壓應(yīng)力如齒輪齒面，軸承滾珠及滾 道，用 淬火 加低溫 回火 的辦法引入壓應(yīng)力，實際上接觸面在受表面法向壓力時發(fā)生彈性變形，過渡區(qū)表面受拉，表面殘余壓應(yīng)力有利于補償表面工作應(yīng)力（注意硬度的概念和泊松比的概念）。 在變應(yīng)力條件下，把實際衡量應(yīng)力集中對疲勞強度影響的系數(shù)稱為疲勞強度降低系數(shù)或有效應(yīng)力集中系數(shù)，用符號 k? 、 k? 表示。 根據(jù)我們理解，上述式中的應(yīng)力集中源是指外部幾何應(yīng)力集中源。 ? 見表 5 5 55 由上式可見： k 1 q? ? ???? （ 1） 26 k 1 q? ? ????（ 1） q 按圖 58 查出， ? 可從表 5 5 55 查得，可以計算出有效應(yīng)力集中系數(shù)，對于典型結(jié)構(gòu)如軸上鍵槽、花鍵軸、普通螺紋的 k 值見表 5 5 58。 由 k=1+q（ ? 1）可以看出， ? 越大 ， k 越大； q 越大， k 越大，也就是說對應(yīng)力集 中來件，幾何不連續(xù)處過渡 R 越小（夾角或粗糙刀痕） ? 就越大 ； 材料越硬，強度越高， q 就越大，材料的硬度和幾何形狀聯(lián)合作用于疲勞強度降低系數(shù) k，零件受力截面的 k 值越大，允許的疲勞強度越低，即承載能力越低。 （由于泊松比效應(yīng)，拉伸長度是不同的） 如下圖受拉桿截面受力情況： 21 12平均應(yīng)力2 ζ 故引入絕對尺寸及剖面形狀影響系數(shù) ? ，其定義為： 1d 1/?? ? ???? 1d 1/?? ? ???? ? 是小于 1 的數(shù) 1d?? 1d?? 尺寸為 d 的零件對稱循環(huán)疲勞極限 1?? 1?? 直徑為 10mm試件的對稱循環(huán)疲勞極限 表 59 是螺紋連接件的尺寸系數(shù) ?? 直徑 d（ mm） 16 20 24 28 32 40 48 56 64 72 80 ?? 1 28 表面質(zhì)量系數(shù) ? （與 1??? 正相關(guān)） 零件表面粗糙度對疲勞強度的影響與應(yīng)力集中源 的影響相類似，表面質(zhì)量不同，其疲勞強度不同。 強化處理的影響及強化系數(shù) q? 為了提高零件的疲勞強度，可對零件進行各種不同的強化處理，各種強化處理的實質(zhì)是