cllx13-疲劳-交变应力

1、第十二章第十二章 交变应力交变应力1. 1. 交变应力：交变应力：构件内随时间作周期性变化的应力，称交变应力。 2. 2. 疲劳与疲疲劳与疲 劳失效劳失效 结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的破坏现象，称为疲劳失效，简称疲劳。 . 疲劳失效的特点与原因简述疲劳失效的特点与原因简述1) 破坏时的名义应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应力；2) 构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力循环3) 构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性材料，也将呈现“突然”的脆性断裂；4) 金属材料的疲劳断裂断口上,有明显的光滑区域与颗粒区域。疲劳失效的机理：疲劳失效的机理：交变应力

2、引起金属原子晶格的位错运动位错运动聚集，形成分散的微裂纹微裂纹沿结晶学方向扩展（大致沿最大剪应力方向形成滑移带）、贯通形成宏观裂纹宏观裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展，宏观裂纹的两个侧面在交变载荷作用下，反复挤压、分开，形成断口的光滑区突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区。 疲劳破坏产生的过程可概括为：疲劳破坏产生的过程可概括为：裂纹形成裂纹形成 裂纹扩展裂纹扩展 断裂断裂14-2 交变应力循环特征交变应力循环特征1. 应力循环应力循环 图中应力大小由a到 b 经历了一个全过程变化又回到原来的数值，称为一个应力循环应力循环。完成一个应力循环所需的时间，称为一个周期周期。 2. 循环特征或应力比循环特

3、征或应力比 一个应力循环中最小应力与最大应力的比值： 称为交变应力交变应力的循环特征循环特征或应力比应力比。3. 平均应力平均应力 4. 应力幅应力幅 恒幅交变应力变幅交变应力 最大应力：最大应力： max最小应力：最小应力： min ；2minmaxm2minmaxa,maxminr以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足ammaxammin具体描述一种交变应力，可用具体描述一种交变应力，可用最大应力最大应力 和循环应力和循环应力r， 或用平均应力或用平均应力 和应力幅值和应力幅值 。 maxmamaxmina不稳定的交变应力：不稳定的交变应力： 、

4、不是常量，不是常量， 为变化的为变化的 （不等幅情况）。（不等幅情况）。稳定的交变应力：稳定的交变应力： 、 均不变，均不变， 为常数为常数 （等幅情况）；（等幅情况）；maxmina5.对称循环对称循环：如受弯的车轴：如受弯的车轴t maxminaminmax0mminmaxa1rt 0minmax2minmaxa2minmaxmmaxminr6.非对称循环非对称循环 ：)1(r7. 脉动循环脉动循环：如齿轮：如齿轮t maxmaam22max0min0r8. 静应力静应力：如拉压杆：如拉压杆mminmax0at mminmax0a1r材料的疲劳（持久）极限及其测定材料的疲劳（持久）极限及其

5、测定疲劳寿命疲劳寿命：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应 力循环次数，记作力循环次数，记作 N，与与 及及 r 有关。有关。max疲劳极限或有限寿命持久极限疲劳极限或有限寿命持久极限： 材料在规定的应力循环次数材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳破环的最下，不发生疲劳破环的最大应力值，记作大应力值，记作 。)(NrNr无限寿命疲劳极限或持久极限无限寿命疲劳极限或持久极限 ： 当当 不超过某一极限值，材料可以经受不超过某一极限值，材料可以经受“无数次无数次”应力应力循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。循环而不发生破

6、坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。maxr1 值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。测定该值值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。测定该值 的方法为：的方法为：试件试件：d=7-10mm，表面磨光的小试件，表面磨光的小试件6-10 根。根。机器机器：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）33minmax163212/dPadPaWM步骤步骤：先取先取 ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;b6 . 011N再取再取 （比（比 减少减少20-40MPa） ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;22N137N73N 如果第七根试件在如果第七

7、根试件在 下经历了下经历了 次循环次数而不次循环次数而不 断裂，并且断裂，并且 或或 ，则，则 即为该材料的疲劳极限即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一根试件的试。否则，进行下一根试件的试 验。验。 77710NMPa10)(76776%5)(718持久极限持久极限标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，称为该材料的持久极限。持久极限持久极限也称疲疲劳极限劳极限。9条件持久极限条件持久极限规定标准试件在一定循环次数下不破坏时的最大应力，称为条件持久极限条件持久极限（或名义持久极限名义持久极限）。 10. 应力寿命曲线应力寿命曲线表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之

8、间关系的曲线，称应力寿命曲线应力寿命曲线，也称S-N 曲线曲线。14-3 影响持久极限的因素影响持久极限的因素 1. 构件外形的影响构件外形的影响 构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中应力集中。应力集中区易引发疲劳裂纹，使持久极限显著降低 2. 构件尺寸的影响构件尺寸的影响 称为尺寸系数尺寸系数 有效应力集中系数有效应力集中系数 3. 构件表面质量的影响构件表面质量的影响 表面质量系数质量系数 11dkk11dkk14-4 14-4 循环应力下构件的疲劳强度计算循环应力下构件的疲劳强度计算 对称循环对称循环下，构件的疲劳强度条件疲劳强度条件【例14-1】图14-1所示圆杆上有一个沿直径的贯穿圆孔，不对称交变弯矩为 。材料为合金钢, ， ， ， 。圆杆表面经磨削加工。若规定安全系数 ， ，园杆表面经磨削加工.试校核此杆的强度。若规定安全系数 n=2,ns=1.5.【解】（1）计算圆杆工作应力。14-8 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施 疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。提高疲劳强度措施为： 1. 减缓应力集中减缓应力集中：设计构件外形时，避免方形或带有尖角的孔和槽；在截面突变处采用足够大的过