cllx13-疲勞-交變應力

1、第十二章第十二章 交變應力交變應力1. 1. 交變應力：交變應力：構件內隨時間作周期性變化的應力，稱交變應力。 2. 2. 疲勞與疲疲勞與疲 勞失效勞失效 結構的構件或機械、儀表的零部件在交變應力作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱為疲勞失效，簡稱疲勞。 . 疲勞失效的特點與原因簡述疲勞失效的特點與原因簡述1) 破壞時的名義應力值往往低于材料在靜載作用下的屈服應力；2) 構件在交變應力作用下發(fā)生破壞需要經歷一定數(shù)量的應力循環(huán)3) 構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆，即使韌性材料，也將呈現(xiàn)“突然”的脆性斷裂；4) 金屬材料的疲勞斷裂斷口上,有明顯的光滑區(qū)域與顆粒區(qū)域。疲勞失效的機理：疲勞失效的機理：交變應力

2、引起金屬原子晶格的位錯運動位錯運動聚集，形成分散的微裂紋微裂紋沿結晶學方向擴展（大致沿最大剪應力方向形成滑移帶）、貫通形成宏觀裂紋宏觀裂紋沿垂直于最大拉應力方向擴展，宏觀裂紋的兩個側面在交變載荷作用下，反復擠壓、分開，形成斷口的光滑區(qū)突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區(qū)。 疲勞破壞產生的過程可概括為：疲勞破壞產生的過程可概括為：裂紋形成裂紋形成 裂紋擴展裂紋擴展 斷裂斷裂14-2 交變應力循環(huán)特征交變應力循環(huán)特征1. 應力循環(huán)應力循環(huán) 圖中應力大小由a到 b 經歷了一個全過程變化又回到原來的數(shù)值，稱為一個應力循環(huán)應力循環(huán)。完成一個應力循環(huán)所需的時間，稱為一個周期周期。 2. 循環(huán)特征或應力比循環(huán)特

3、征或應力比 一個應力循環(huán)中最小應力與最大應力的比值： 稱為交變應力交變應力的循環(huán)特征循環(huán)特征或應力比應力比。3. 平均應力平均應力 4. 應力幅應力幅 恒幅交變應力變幅交變應力 最大應力：最大應力： max最小應力：最小應力： min ；2minmaxm2minmaxa,maxminr以上五個特征值中，只有二個是獨立的。滿足以上五個特征值中，只有二個是獨立的。滿足ammaxammin具體描述一種交變應力，可用具體描述一種交變應力，可用最大應力最大應力 和循環(huán)應力和循環(huán)應力r， 或用平均應力或用平均應力 和應力幅值和應力幅值 。 maxmamaxmina不穩(wěn)定的交變應力：不穩(wěn)定的交變應力： 、

4、不是常量，不是常量， 為變化的為變化的 （不等幅情況）。（不等幅情況）。穩(wěn)定的交變應力：穩(wěn)定的交變應力： 、 均不變，均不變， 為常數(shù)為常數(shù) （等幅情況）；（等幅情況）；maxmina5.對稱循環(huán)對稱循環(huán)：如受彎的車軸：如受彎的車軸t maxminaminmax0mminmaxa1rt 0minmax2minmaxa2minmaxmmaxminr6.非對稱循環(huán)非對稱循環(huán) ：)1(r7. 脈動循環(huán)脈動循環(huán)：如齒輪：如齒輪t maxmaam22max0min0r8. 靜應力靜應力：如拉壓桿：如拉壓桿mminmax0at mminmax0a1r材料的疲勞（持久）極限及其測定材料的疲勞（持久）極限及其

5、測定疲勞壽命疲勞壽命：材料在交變應力作用下產生疲勞破壞時所經歷的應：材料在交變應力作用下產生疲勞破壞時所經歷的應 力循環(huán)次數(shù)，記作力循環(huán)次數(shù)，記作 N，與與 及及 r 有關。有關。max疲勞極限或有限壽命持久極限疲勞極限或有限壽命持久極限： 材料在規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)材料在規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)N下，不發(fā)生疲勞破環(huán)的最下，不發(fā)生疲勞破環(huán)的最大應力值，記作大應力值，記作 。)(NrNr無限壽命疲勞極限或持久極限無限壽命疲勞極限或持久極限 ： 當當 不超過某一極限值，材料可以經受不超過某一極限值，材料可以經受“無數(shù)次無數(shù)次”應力應力循環(huán)而不發(fā)生破壞，此極限值稱為無限壽命疲勞極限或持久極限。循環(huán)而不發(fā)生破

6、壞，此極限值稱為無限壽命疲勞極限或持久極限。maxr1 值是工程材料最常見、最基本的材料性能指標之一。測定該值值是工程材料最常見、最基本的材料性能指標之一。測定該值 的方法為：的方法為：試件試件：d=7-10mm，表面磨光的小試件，表面磨光的小試件6-10 根。根。機器機器：疲勞試驗機（簡支梁式或懸臂梁式）：疲勞試驗機（簡支梁式或懸臂梁式）33minmax163212/dPadPaWM步驟步驟：先取先取 ，經過，經過 次循環(huán)后斷裂次循環(huán)后斷裂;b6 . 011N再取再取 （比（比 減少減少20-40MPa） ，經過，經過 次循環(huán)后斷裂次循環(huán)后斷裂;22N137N73N 如果第七根試件在如果第七

7、根試件在 下經歷了下經歷了 次循環(huán)次數(shù)而不次循環(huán)次數(shù)而不 斷裂，并且斷裂，并且 或或 ，則，則 即為該材料的疲勞極限即為該材料的疲勞極限 。否則，進行下一根試件的試。否則，進行下一根試件的試 驗。驗。 77710NMPa10)(76776%5)(718持久極限持久極限標準試件經過無窮多次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最大應力值，稱為該材料的持久極限。持久極限持久極限也稱疲疲勞極限勞極限。9條件持久極限條件持久極限規(guī)定標準試件在一定循環(huán)次數(shù)下不破壞時的最大應力，稱為條件持久極限條件持久極限（或名義持久極限名義持久極限）。 10. 應力壽命曲線應力壽命曲線表示一定循環(huán)特征下標準試件的疲勞強度與疲勞壽命之

8、間關系的曲線，稱應力壽命曲線應力壽命曲線，也稱S-N 曲線曲線。14-3 影響持久極限的因素影響持久極限的因素 1. 構件外形的影響構件外形的影響 構件外形的突變（槽、孔、缺口、軸肩等）引起應力集中應力集中。應力集中區(qū)易引發(fā)疲勞裂紋，使持久極限顯著降低 2. 構件尺寸的影響構件尺寸的影響 稱為尺寸系數(shù)尺寸系數(shù) 有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù) 3. 構件表面質量的影響構件表面質量的影響 表面質量系數(shù)質量系數(shù) 11dkk11dkk14-4 14-4 循環(huán)應力下構件的疲勞強度計算循環(huán)應力下構件的疲勞強度計算 對稱循環(huán)對稱循環(huán)下，構件的疲勞強度條件疲勞強度條件【例14-1】圖14-1所示圓桿上有一個沿直徑的貫穿圓孔，不對稱交變彎矩為 。材料為合金鋼, ， ， ， 。圓桿表面經磨削加工。若規(guī)定安全系數(shù) ， ，園桿表面經磨削加工.試校核此桿的強度。若規(guī)定安全系數(shù) n=2,ns=1.5.【解】（1）計算圓桿工作應力。14-8 提高構件疲勞強度的措施提高構件疲勞強度的措施 疲勞裂紋主要形成于構件表面和應力集中部位。提高疲勞強度措施為： 1. 減緩應力集中減緩應力集中：設計構件外形時，避免方形或帶有尖角的孔和槽；在截面突變處采用足夠大的過