关于螺纹锁紧及提高疲劳强度的研讨

关于螺纹锁紧及提高疲劳强度的研讨内容摘要：

b 变号时不对称循环应变力 18 ζζζ0ζ ζζ0ζζζ C 零循环应变力 d 不变号不对称循环应变力 σ max—— 变应力最大值， σ max=σ m+σ a σ min—— 变应 力最小值， σ min=σ mσ a σ m—— 平均值， σ m=（σ max+σ min） /2 σ a—— 应力幅， σ a=（σ maxσ min） /2 r—— 应力循环特性， r=σ min/σ max 取 拉伸为正应力，压缩为负应力。 图 a 表示变应力为对称循环变应力， σ max= σ min， r=1，σ m=0， σ a=σ max； 图 b 表示变号不对称变应力， 1 r 0 图 c 表示零循环变应力， σ min=0， r = 0， σ m=σ a=σ max/2 图 d 表示不变号不对称变应力， 0 r 1 静应力时， σ max =σ min ， r = 1， σ m=σ max， σ a =0 一种变应力通常用 σ max 及 r 来确定，各参数不随时间改变的稳态变应力，参数随时间改变的件叫不稳定变应力。 二）疲劳极限 在特定的循环特征 r 时，应力循环 N 次不致使材料发生疲劳破坏的变应力的最大值 rN 称为循环次数 N 时的疲劳极限。 当 r不变时，σ max 减小， N 增加，呈下图变化 ζζ ∞0ζ N 0N 7（ 10） CN 19 不同 r循环特征时的  — N 曲线 当变应力循 环次数达到某一数值 Nc 后，σ r 线变为水平线，也就是说当应力低于σ rNc 时，材料可以经受无限多次循环而不发生破坏，当循环次数小于 Nc 时，疲劳极限σ rN 要随 N的减小而增大。 铁合金的 Nc 约在 106～ 107 之间，对于高硬度和高强度钢材的接触疲劳来说， Nc有时却高达 25 107或 1010，对于轻合金，疲劳极限随循环次数 N的增加而不断增加，没有对应的 r这一类材料可取 No=（ 50～ 100） 106作为循环基数，如下图所示 （ 53） ： 上述 Vc时的疲劳极限σ rNc 称为有限寿命疲劳极限。 绝大多事的通用机械零件均用结构钢制造，针对上图所示的疲劳曲线进一步研讨。 把上图疲劳曲线绘制在对数坐标上，如下图 （ 54） ： 20 直线 AB 上任何一个点的纵坐标值都代表在一定循环次数 N（ N Nc）时的疲劳极限σ rN称为有限寿命疲劳极限，直线 AB 的方程式为： rNmNC  或求对数 /r N Nm lg lg C   式中 M、 C、 C/为实验常数，其值随材料性质、试件形状和试验条件等不同而异，当 N≤ Nc 时，上图中 rN r0lg lg 1lg N lg N M  （ 1M 为 AB 线的斜率） r N r 0M l g l g l g N l g N （ ） = 都除 lg ，则 MrN 0rNN （ ） MrN r 0NN M 0rN r NN 当 N Nc 时 ： rN r 结构钢弯曲时的 M 及 N0 值： 试验件条件 M N0 抛光 的无应力集中的试件 9～ 18 （ 1～ 4） 106 抛光的有应力集中的试件 6～ 10 （ 1～ 4） 106 有压配零件的轴 6～ 10 （ 6～ 10） 106 表面强化处理的件 18～ 20 （ 1～ 5） 106 对于中等尺寸的剖面，钢制零部件受弯曲时，取 M=9 N0=5 106 对于较大尺寸的剖面 取 M=9 N0=107 并取 Nc= N0 上表可以看出，如果表面强化，疲劳强度可以随 N 的减小大幅提高。 例如：一 45 号钢试样的对称循环（ r =1）的疲劳极 限 σ 1=（ Nc=107） 设 M=9， N0=5 106 求 N=10 10 104时的有限寿命疲劳极限值。 根据式 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 ） = 对于变应力时极限应力的变化图简介： 应力副 max mina 2  max minm 2  不同循环特性的疲劳极限的平均应力 /m 及应力副 /a 绘成如下曲线，可得变应力极限应力曲线（ P61 中） 右 图， ADEB 曲线为 r =1 到到 r =1，的疲劳极限线，纵坐标为应力副值 ai ，对应的横坐标即为相应的疲劳强度值。 曲线 A 点的平均应力等于零，故它代表了材料的对称循环疲劳极限1 ， B 点和 C 点的应力 副等于零，个别代表材料的强度极限 B 及屈服极限 S ，即静应力线 r =1， D 点是极限应力曲线与射线 OD 的交点，如图所示，因此，该点的平均应力 mD 等于该点的应力副 aD 等于 02 ，它代表了材料的零（ r =0）循环疲劳极限。 从 C 点做作与横坐标轴夹角为 45176。 的直线 CF，交 极限应力曲线于 E 点，则直线 CE 上任何一点的所代表的应力其最大应力值均为0M a S  （峰值），区域 AECO 内任何一个点所代表的应力其最大值（峰值）既不超过疲劳极限 r1 也不超过屈服极限 S ，因此是安全的，区域 BCE 内任何一点的应力，其最大值不超过疲劳极限，当超过了屈服极限，因而是不安全的。 在 C 下线上各点所代表的应力 a M S  ， 在 FOC 三角形内任何一点的应力，其最大值不会超过屈服极限，但在 AEF 三边形内，最大应力已超过了疲劳极限，因而也是不安全的。 在无资料可查时，钢材弯曲对称循环疲劳极限 1 可用下边经验关系估算： 221 0 . 1 7 6 H B K N / c m 0 . 1 7 6 H B 1 0 N / m m     22 1B （ ～ ） 估算钢材拉压对称循环疲劳极限 1tc 的经验公式为为 1tc  钢材 剪切对称循环疲劳极限 1 的估算公式为：  影响疲劳强度的各个因素 理论的或几何的应力集中系数 、  在真实零件几何不连续附近，应力将会远远超过按公式求出的公称值，为了安全，最大应力应小于许用应力，而不是使公称应力小于许用应力，可以用弹性理论和弹性试验的方法来求得max。 在几何不连续处的极小区域内，应力急剧增高的现象，称为应力集中，引起应力集中的几何不连续因素称为应力集中源，从而引出理论（几何）应力集中系数  、  ，其定义为最大应力与公称应力的比值。 上图为带径向孔的拉力轴，当抗弯曲时，一边拉，一边压，计算是复杂的，提高强度，降低应力集中系数更有效。 齿轮花键轴孔与花键轴的配合应力集中属剪切应力集中，传递扭矩的应力集中主要产生在台阶轴过渡台阶处的 R 表面 粗糙度上，当产生表面应力时对疲劳强度影响很大，我们知道的常规提高疲劳强度的方法有：抛丸处理、表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗，高频淬火，其目的是得到表面压应力，此种处理主要目的是在公称应力为拉应力时在表面与残余压应力叠加，表面实际应力比无残余应力时要小，使应力分布向内层转移，使受力面应力均匀化，从而降低了应力集中系数，注意当引用理化方法，使零件受力截面引入残余应力时，危险点残余力的方向与工作载荷方向应相反，当处理压力应力集中的问题时，引入表 面 压应力残余将使 问题 更加恶化，但对于接触压应力如齿轮齿面，轴承滚珠及滚 道，用 淬火 加低温 回火 的办法引入压应力，实际上接触面在受表面法向压力时发生弹性变形，过渡区表面受拉，表面残余压应力有利于补偿表面工作应力（注意硬度的概念和泊松比的概念）。 几种最基本结构形式应力集中系数表见 5 5 55 23 24 25 疲劳强度降低系数或有效应力集中系数 k 、 k （与零件允许强度负相关） 理论应力集中系数仅取决于零件几何形状的系数，它只适用于各向同性的弹性体，而真实材料的内部存在着各 种各样的缺陷和不同的晶粒分布情况，由于内部缺陷所引起的应力集中比外部几何不连续所引起的应力集中要严重的多，所以相对的说，内部缺陷会使外部几何因素对应力集中的影响有所降低，如晶粒度不同，内部夹渣，隐裂在变应力条件下，材料内部已产生的微小的疲劳裂纹是比外部的几何不连续更为严重的应力集中源。 在变应力条件下，把实际衡量应力集中对疲劳强度影响的系数称为疲劳强度降低系数或有效应力集中系数，用符号 k 、 k 表示。 1 1kk/  1 1kk/  上式中 1 （ 1 ）无应力集中源的试件的对称循环弯曲（扭转）疲劳极限； 1k （ 1k ）有应力集中源的试件的对称循环弯曲（扭转）疲劳极限。 根据我们理解，上述式中的应力集中源是指外部几何应力集中源。 有效应力集中 系数 K 和理论应力集中系数  之间的关系为： （ k1） =q（  1） q 为材料的敏性系数，与材料强度和几何不连续处圆角半径 r（见图 58，设计手册中应有此表）同一种材料， r 越大， q 有增大趋势，呈非线性变化，同一种 r 材料强度越高， q 越大。  见表 5 5 55 由上式可见： k 1 q   （ 1） 26 k 1 q  （ 1） q 按图 58 查出，  可从表 5 5 55 查得，可以计算出有效应力集中系数，对于典型结构如轴上键槽、花键轴、普通螺纹的 k 值见表 5 5 58。 27 根据式 1 1kk/  ，对已知该材料 1 可从试验或资料查出， k 可按上表查出，则试件的疲劳极限 1k 1 /k （ ） 因 k 大于 1， 1k 1 ， k 愈大， 1k 愈小。 由 k=1+q（  1）可以看出，  越大 ， k 越大； q 越大， k 越大，也就是说对应力集 中来件，几何不连续处过渡 R 越小（夹角或粗糙刀痕）  就越大 ； 材料越硬，强度越高， q 就越大，材料的硬度和几何形状联合作用于疲劳强度降低系数 k，零件受力截面的 k 值越大，允许的疲劳强度越低，即承载能力越低。 绝对尺寸及剖面形状影响系数  、  （与允许强度正相关） 材料的 1 、 1 均为在试验机上，试件直径 d=10mm（也有  或 ）截面较小，表面光滑，应力分布均匀连续，随直径加大，剖面上应力梯度是不同的，实际作用表现为当零件尺寸增大时，疲劳极限要降低。 （由于泊松比效应，拉伸长度是不同的） 如下图受拉杆截面受力情况： 21 12平均应力2 ζ 故引入绝对尺寸及剖面形状影响系数  ，其定义为： 1d 1/   1d 1/    是小于 1 的数 1d 1d 尺寸为 d 的零件对称循环疲劳极限 1 1 直径为 10mm试件的对称循环疲劳极限 表 59 是螺纹连接件的尺寸系数  直径 d（ mm） 16 20 24 28 32 40 48 56 64 72 80  1 28 表面质量系数  （与 1 正相关） 零件表面粗糙度对疲劳强度的影响与应力集中源 的影响相类似，表面质量不同，其疲劳强度不同。 11/   1 —— 某种表面质量试件的对称循环弯曲疲劳极限 1 —— 表面抛光的标准试件的对称循环弯曲疲劳极限 图 511 钢材的表面质量系数  对应不同强度材料和不同加工方法，强度越高  越小，加工精度越高，  越大，  越大，零件允许疲劳强度 1 越高。 强化处理的影响及强化系数 q 为了提高零件的疲劳强度，可对零件进行各种不同的强化处理，各种强化处理的实质是为了提高表层材料的强度性能或在表层中产生残余压应力。 由于残余压应力的存在，当有外加载荷引起应变力时，可使拉应力的最大值及平均应力减小，这将有助于防止疲劳裂纹的产生或减缓疲 劳裂纹的扩展。 通常进行强化处理方法有： ①表面化学处理，渗碳、氰化、氮化等； ②表面高频淬火； ③表面硬化加工，如喷丸、滚压等（丸粒大小、重量对强化效果影响很大） 考虑强化处理对材料疲劳。