材料力學(xué)第九章交變應(yīng)力1.ppt

,第十一章 交變應(yīng)力,材料力學(xué),第十四章 疲勞強(qiáng)度,111 交變應(yīng)力與疲勞失效 112 交變應(yīng)力的幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ) 113 材料持久限及其測(cè)定,114 構(gòu)件持久限及其計(jì)算 115 對(duì)稱(chēng)循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 116 非常溫靜載下材料力學(xué)性能簡(jiǎn)介,交變應(yīng)力：隨時(shí)間周期性變化的應(yīng)力。,11-1 交變應(yīng)力與疲勞失效,齒輪傳動(dòng)：齒輪嚙合點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化，這 種應(yīng)力就是交變應(yīng)力。,折鐵絲,應(yīng)力循環(huán)：交變應(yīng)力每重復(fù)變化一次的過(guò)程。,疲勞強(qiáng)度：抵抗疲勞破壞的能力。,疲勞破壞：構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生的破壞。,1最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，甚至小于屈服 極限；破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)大約在105107,疲勞破壞的主要特點(diǎn)：,2無(wú)論塑性材料還是脆性材料都發(fā)生脆性斷裂；,3斷口具有明顯的特征。,交變應(yīng)力長(zhǎng)期作用下由于裂紋萌生、擴(kuò)展而導(dǎo)致的脆性斷裂。,粗糙區(qū),裂紋源,光滑區(qū),高周疲勞,二、疲勞破壞的發(fā)展過(guò)程:,1.亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而永久損傷形核。,2.產(chǎn)生微觀(guān)裂紋。,3.微觀(guān)裂紋長(zhǎng)大并合并，形成“主導(dǎo)”裂紋。,4.宏觀(guān)主導(dǎo)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。,5.結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或完全斷裂。,材料在交變應(yīng)力下的破壞，習(xí)慣上稱(chēng)為疲勞破壞。,三、疲勞破壞的特點(diǎn):,2.斷裂發(fā)生要經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù),3.破壞均呈脆斷,4.“斷口”分區(qū)明顯。 （光滑區(qū)和粗糙區(qū)）,112 交變應(yīng)力的幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ),一、循環(huán)特征：,三、應(yīng)力幅：,二、平均應(yīng)力：,t,s,四、幾種特殊的交變應(yīng)力：,1.對(duì)稱(chēng)循環(huán)：,s,2.脈動(dòng)循環(huán)：,3.靜循環(huán)：,五、穩(wěn)定交變應(yīng)力：循環(huán)特征及周期不變。,t,s,材料的持久極限與靜載荷下強(qiáng)度極限的關(guān)系,一般鋼及常用合金鋼：,鑄鋼，可鍛鑄鐵及銅合金,同一種材料在不同 應(yīng)力循環(huán)下的持久極限，對(duì)稱(chēng)循環(huán)的持久極限最小。,例1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭螺釘工作時(shí)最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺紋內(nèi)徑為 d=11.5mm，試求 a 、m 和 r。,解：,113 材料持久限及其測(cè)定,一、材料持久限(疲勞極限)： 循環(huán)應(yīng)力只要不超過(guò)某個(gè)“最大限度”,構(gòu)件就可以經(jīng)歷無(wú)數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，這個(gè)限度值稱(chēng)為“疲勞極限”，用r 表示。,二、 N 曲線(xiàn)（應(yīng)力壽命曲線(xiàn)）：,N0循環(huán)基數(shù)。,r材料持久限。,A名義持久限。,114 構(gòu)件持久限及其計(jì)算,一、構(gòu)件持久限r(nóng) 0,r0 與 r 的關(guān)系：,1. K 有效應(yīng)力集中系數(shù)：,2. 尺寸系數(shù)：,3. 表面質(zhì)量系數(shù)：,如果循環(huán)應(yīng)力為剪應(yīng)力，將上述公式中的正應(yīng)力換為剪應(yīng)力即可。,對(duì)稱(chēng)循環(huán)下 ，r= -1 。上述各系數(shù)均可查表而得。,例2 階梯軸如圖，材料為鉻鎳合金鋼，b=920MPa，1= 420MPa ，1= 250MPa ，分別求出彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)。,解：1.彎曲時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù),由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù),由表查尺寸系數(shù),2.扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù),由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù),應(yīng)用直線(xiàn)插值法,由表查尺寸系數(shù),115 對(duì)稱(chēng)循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,一、對(duì)稱(chēng)循環(huán)的疲勞容許應(yīng)力:,二、對(duì)稱(chēng)循環(huán)的疲勞強(qiáng)度條件:,例3 旋轉(zhuǎn)碳鋼軸上，作用一不變的力偶 M=0.8kNm，軸表面經(jīng)過(guò)精車(chē)， b=600MPa，1= 250MPa，規(guī)定 n=1.9，試校核軸的強(qiáng)度。,解： 確定危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力及循環(huán) 特征,為對(duì)稱(chēng)循環(huán),M,M, 強(qiáng)度校核, 查圖表求各影響系數(shù)，計(jì)算構(gòu)件持久限。,求K：,求 ：查圖得,查圖得,求 ：表面精車(chē)， =0.94,安全,應(yīng)變循環(huán)：交變應(yīng)變每重復(fù)變化一次的過(guò)程。,低周疲勞破壞：構(gòu)件在交變應(yīng)變的作用下發(fā)生的破壞。,1最大工作應(yīng)力一般超過(guò)屈服 極限； 破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)大約在103105,低周疲勞破壞的主要特點(diǎn)：,2一般在塑性材料中發(fā)生韌性斷裂；,3斷口具有明顯的特征。,低周疲勞,鋯-合金的低周疲勞斷口微觀(guān)形貌圖,交變應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，由于微裂紋連接導(dǎo)致小裂紋萌生；小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而導(dǎo)致的最終斷裂。,采用微機(jī)控制電液伺服低周疲勞試驗(yàn)機(jī)，可以觀(guān)察低周疲勞斷口微觀(guān)形貌圖。,2、變幅與過(guò)載影響裂紋擴(kuò)展速率 通過(guò)對(duì)帶有環(huán)狀型切口的#-鋼圓棒料在恒幅過(guò)載和變幅過(guò)載下的低周次疲勞試驗(yàn)，表明變幅遞增過(guò)載的裂紋擴(kuò)展速率比恒幅過(guò)載裂紋擴(kuò)展速率顯著增大?；谠囼?yàn)事實(shí)和斷口分析，說(shuō)明過(guò)載時(shí)裂紋擴(kuò)展速率瞬時(shí)顯著增大是裂紋鈍化的結(jié)果 。,1、應(yīng)變速率不同，材料循環(huán)變形的機(jī)理也不同 在大應(yīng)變速率疲勞時(shí)