第四章 疲劳强度

1、交交 变变 应应 力力131交变应力与疲劳失效交变应力交变应力: :随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力金属材料在交变应力作用下发生的破坏称为金属材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏。如如: :机车车轴、齿轮等机车车轴、齿轮等t循环一次maxmin12341疲劳失效的特点疲劳失效的特点v（1 1）断裂时应力低于强度）断裂时应力低于强度极限或屈服极限；极限或屈服极限；v（2 2）断裂时没有明显塑性）断裂时没有明显塑性变形；变形；v（3 3）构件断口特点是：两）构件断口特点是：两个区（光滑区、粗糙区）个区（光滑区、粗糙区）疲劳失效过程的解释疲劳失效过程的解释疲劳源疲劳源

2、裂纹扩展裂纹扩展光滑区光滑区粗糙区粗糙区脆断脆断金属材料裂纹金属材料裂纹1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。疲劳破坏案例11981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中。疲劳破坏案例21998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏。疲劳破坏案例3132交变应力的循环特征应力幅和平均应力mtmaxminoaa最大应力 ：max最小应力 ：min平均应力 ：a应力幅度 ：mm

3、axmin r循环特征：minmax21m minmax21 aam maxam minmtmaxminoaa 021minmax m maxminmax21 a1maxmin rt循环一次maxmin123411.1.对称循环对称循环如如:机车车轴机车车轴2.脉动循环脉动循环0min 0maxmin r maxminmax2121 m maxminmax2121 a3.静载静载1maxmin r maxminmax21 m 021minmax a133 持久极限和疲劳极限一、材料的持久极限1max,2max,1N2NONmax1曲线 NS12劳极限为对称循环时材料的疲 10.0r6 . 0r

4、3 . 0r1r0NACEDmaxNOr材料的疲劳极限 有色金属及其合金的应力有色金属及其合金的应力寿命曲线无明寿命曲线无明显趋于水平的直线部分。通常规定显趋于水平的直线部分。通常规定N0=(5-10)107作为循环基数，所对应的应力为该材作为循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。料的条件疲劳极限。材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：弯曲：弯曲：拉压：拉压：扭转：扭转：1017.14.0bb28. 01b23. 01maxminrmax,rmin)1 (2121maxminmaxrm)1 (2121maxminmaxra二、疲劳极限曲线maAOCBD

5、E0rb4511r1rtan1tan1rG)2,2(00G),(am22001tgrmara1直线AC的斜率：直线AC的方程：maxamrrtgma11minmaxminmaxtan1tan1r13-4影响持久极限的主要因素1.1.构件外形的影响构件外形的影响2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.3.构件表面质量的影响构件表面质量的影响kddK11K1.1.构件外形的影响构件外形的影响kddK111.1.构件外形的影响构件外形的影响kddK111.1.构件外形的影响构件外形的影响11d2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响11d2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.3.构件表面质量的影响构件

6、表面质量的影响dd113 3. .构件表面质量的影响构件表面质量的影响影响持久极限因素影响持久极限因素1*1K111kddK111d11111dd1.1.构件外形的影响构件外形的影响2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.3.构件表面质量的影响构件表面质量的影响构件的疲劳极限构件的疲劳极限135 对称循环下构件的疲劳强度计算1*1K111nKnK11maxnKn*11nKKnmax1max1max*1例例4-1,4-1,机车车轴机车车轴,P=80kN, 45,P=80kN, 45钢，钢，n=1.5, n=1.5, 试校核试校核I I截截面疲劳强度。面疲劳强度。MPab500MPa2001分析与

7、求解：nKnmax15.1nMPa2001MPa5 .49maxWM343m10696. 132dW083. 012010dr167. 1120140dD54. 1K68. 096. 08N.m8400105. 0FM分析与求解：分析与求解：5 .1713.19 .4596.068.054.1200max1nKn该截面疲劳强度足够。该截面疲劳强度足够。68. 068. 096. 0136 非对称循环下构件的疲劳强度计算amA1AOmaI HBC1CKGP1*1K*1一、疲劳极限曲线的简化一、疲劳极限曲线的简化C)(1rmaraKKrmara1:AC直线:的纵坐标为那么直线1CA1点表示的应力循环由构件工作时，若危险点),(amPmaxamrPHOHmarmmarPHPHOHnmax 构件工作安全系数rmmarmaKPH)(1amakPH1marmmarPHPHOHnmax 构件工作安全系数makn1mmarmk1ssamL1AOJB1CK1P1*1K*1 对于塑性材料制成的构件对于塑性材料制成的构件, ,除应满足除应满足疲劳强度外疲劳强度外, ,危险点的应力不应超过屈危险点的应力不应超过屈服极限服极限. .C2Pnknma1sammaxssnnmax疲劳强度计算疲劳强度计算一般强度计算一般强度计算例例4-3 4-3 试校轴的疲