第十二章交变应力

1、第十二章 交变应力 第十二章 交变应力12-1 12-1 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效12-2 12-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力交变应力的循环特征、应力幅和平均应力12-3 12-3 持久极限持久极限12-4 12-4 影响持久极限的因素影响持久极限的因素12-5 12-5 对称循环下构件的疲劳强度计算对称循环下构件的疲劳强度计算12-6 12-6 持久极限曲线持久极限曲线12-7 12-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算不对称循环下构件的疲劳强度计算12-8 12-8 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施12-1 12-1 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效交

2、变应力交变应力：构件内随时间作构件内随时间作周期性变化的应力周期性变化的应力。 折断一根铁丝的启示折断一根铁丝的启示疲劳疲劳与与疲劳破坏疲劳破坏：结构的构件在交变应力的作用下发生的结构的构件在交变应力的作用下发生的破坏现象，称为疲劳破坏，简称疲劳破坏现象，称为疲劳破坏，简称疲劳齿轮啮合时齿根齿轮啮合时齿根A A点的弯曲正应力点的弯曲正应力 随时间作周期性变化。随时间作周期性变化。 第十二章 交变应力车轴每转一周，某点处的材料即经历一次由拉伸到压缩的车轴每转一周，某点处的材料即经历一次由拉伸到压缩的应力循环。应力循环。机车车轴机车车轴t循环一次maxmin12341第十二章 交变应力电机转子偏心

3、惯性力引起强迫振动梁上的危险点正电机转子偏心惯性力引起强迫振动梁上的危险点正应力随时间作周期性变化。应力随时间作周期性变化。 st 表示电机的重力表示电机的重力W W以静载方式作用于梁上引起以静载方式作用于梁上引起的静应力，最大应力和最小应力分别表示梁在最大和的静应力，最大应力和最小应力分别表示梁在最大和最小位移时的应力。最小位移时的应力。st第十二章 交变应力 因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的，极易造成严重事故。据统计，机械然发生的，极易造成严重事故。据统计，机械零件，尤其是高速运转的构件的破坏，大部分零件，尤其是高速运转的构件的破坏，大部分属

4、于疲劳破坏。属于疲劳破坏。第十二章 交变应力疲劳失效的特点疲劳失效的特点构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征：构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征：1）破坏时的）破坏时的最大应力最大应力值往往低于材料在静载作用下的值往往低于材料在静载作用下的屈服应屈服应力力；（；（必要性）2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的）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应力循环循环；3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料，）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料，也将呈现也将呈现“突然突然”的脆性断裂；（的脆性断裂；（危害性）4）金属材料疲劳断裂断口上，有明

5、显的光滑区域与颗粒区域。）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。（判断依据）第十二章 交变应力疲劳失效机理疲劳失效机理疲劳源疲劳源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第十二章 交变应力19791979年，美国年，美国DE-10DE-10型飞机失事，死亡型飞机失事，死亡270270人，原因螺旋桨人，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。设计问题。疲劳破坏案例1第十二章 交变应力19811981年初，欧洲北海油田年初，欧洲北海油田“基尔兰基尔兰”号平台覆灭，死亡号平台

6、覆灭，死亡123123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，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，当时大风掀起横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7 7米巨浪，米巨浪，1010510105吨的浮台吨的浮台沉没于大海之中沉没于大海之中疲劳破坏案例2第十二章 交变应力19981998年年5 5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏。破坏。疲劳破坏案例3第十二章 交变应力12-2 12-2 交变应力的循环特征、应力幅和平交变应力的循环特征、应力幅和平 均应力均应力to应力循环：应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力每重复变

7、化一次，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完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个，称为一个周期周期。第十二章 交变应力mtmaxminoaa最大应力：max最小应力：min平均应力：a应力幅度：m第十二章 交变应力maxmin r循环特征： minmax21 m minmax21 aam maxam minmtmaxminoaa第十二章 交变应力 021minmax m maxminmax21 a1maxmin rt循环一次maxmin123411.1.对称循环对称循环如如:机车车轴机车车轴第十二章 交变应力2.2.脉动循环脉动循环0min 0maxminr maxminm

8、ax2121 m maxminmax2121 atO第十二章 交变应力3.3.静载静载1maxmin r maxminmax21 m 021minmax atOmax第十二章 交变应力12-3 持久极限持久极限 试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动机带试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应力，直至动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应力，直至断裂破坏。断裂破坏。 记录每根试件中的最大应力记录每根试件中的最大应力 （名义应力，即疲劳强名义应力，即疲劳强度度）及发生破坏时的）及发生破坏时的应力循环次数应力循环次数（又称疲劳（又称疲劳寿命寿

9、命），），即可得即可得SN应力寿命曲线应力寿命曲线。第十二章 交变应力1max,2max,1N2NONmax112应力应力寿命曲线寿命曲线，也称，也称SN曲线曲线。S-N曲线 1为对称循环时材料的疲劳极限为对称循环时材料的疲劳极限第十二章 交变应力0 .0r6 .0r3 .0r1r0NACEDmaxNOr材料的疲劳极限 有色金属及其合金的应力寿命曲线无明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料的条件疲劳极限。第十二章 交变应力材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：弯曲：拉压：扭转：1017 . 14 . 0bb28. 01b23. 01第十二章 交

10、变应力12-4 影响持久极限的因素影响持久极限的因素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第十二章 交变应力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）引起构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力应力集中集中。应力集中区易引发疲劳裂纹，使疲劳极限显著降低。应力集中区易引发疲劳裂纹，使疲劳极限显著降低。 用有效应力集中因数用有效应力集中因数 或或 描述外形突变的影响：描述外形突变的影响：KK其中：其中： 或或 是无应力集中的光滑试件的疲劳极是无应力集中的光滑试件的疲劳极限，限， 或或 是有

11、外形突变试件的疲劳极限。是有外形突变试件的疲劳极限。d1d1K1K1KdK11KdK11或或且且1, 1KK第十二章 交变应力 越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强度度 越高，应力集中队疲劳极限的影响愈显著。越高，应力集中队疲劳极限的影响愈显著。dr /b第十二章 交变应力构件尺寸的影响构件尺寸的影响 构件尺寸越大，疲劳极限越构件尺寸越大，疲劳极限越低。如受扭转大、小二圆截面试低。如受扭转大、小二圆截面试件，如二者的最大剪应力相同，件，如二者的最大剪应力相同，则大试件横截面上的高应力区比则大试件横截面上的高应力区比小试件的大。即大试件中处于高小试

12、件的大。即大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，应力状态的晶粒比小试件的多，故引发疲劳裂纹的机会也多。故引发疲劳裂纹的机会也多。 用尺寸因数用尺寸因数 或或 表示表示。11d或或11d11,其中：其中： 为光滑小试件为光滑小试件 为光滑大试件为光滑大试件dd11,且且1, 1 ，d 越大，越大， 越小，越小， 愈小。愈小。r第十二章 交变应力构件表面质量的影响构件表面质量的影响 构件上的最大应力常发生于表层，疲劳裂纹也多生成于构件上的最大应力常发生于表层，疲劳裂纹也多生成于表层。故构件表面的加工缺陷（划痕、擦伤）等将引起表层。故构件表面的加工缺陷（划痕、擦伤）等将引起应力应力集中集中，降低

13、疲劳极限。，降低疲劳极限。 用表面质量因数表示用表面质量因数表示 d11d1其中：其中： 为为表面磨光试件的疲劳极限表面磨光试件的疲劳极限 为用其它方法加工的构件疲劳极限为用其它方法加工的构件疲劳极限 1第十二章 交变应力 表面加工质量愈低，表面加工质量愈低， 愈小，愈小， 降低愈多。降低愈多。 一一般般 ，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1 1的的 值。值。r1 综合上述三种因素，综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为对称循环下构件的疲劳极限为：101K或或101K其中：其中： ， 是光滑小试件的疲劳极限。是光滑小试件的疲劳极限。11第十二

14、章 交变应力 疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故提高提高构件疲劳极限的措施有：构件疲劳极限的措施有： （1）减缓应力集中，）减缓应力集中，设计构件外形时，设计构件外形时，避免出现方形或带有避免出现方形或带有尖角的孔和槽，尖角的孔和槽，在截面突变处采用足够大的过渡圆角，（如在截面突变处采用足够大的过渡圆角，（如阶梯轴轴肩阶梯轴轴肩设置减荷槽设置减荷槽 或或退刀槽退刀槽 ；（2）降低表面粗糙度，对表面进行精加工，避免表面有机械）降低表面粗糙度，对表面进行精加工，避免表面有机械损伤和化学损伤（如腐蚀）；损伤和化学损伤（如腐蚀）；（3）增加表面强度

15、，通过）增加表面强度，通过高频高频淬火、渗碳、渗氮或液压喷丸淬火、渗碳、渗氮或液压喷丸进行处理。进行处理。 第十二章 交变应力12-5 12-5 对称循环下构件的疲劳强度计算对称循环下构件的疲劳强度计算对称循环交变应力下，构件的疲劳强度条件为：对称循环交变应力下，构件的疲劳强度条件为：n011max其中：其中： 是构件危险点的最大工作应力；是构件危险点的最大工作应力； n n是疲劳安全系数。是疲劳安全系数。 maxnkKnmax1max1max01或表示成或表示成：nknmax1同理，对扭转交变应力有：同理，对扭转交变应力有：第十二章 交变应力其中：其中： ， 。 机车车轴,P=80kN,45

16、钢，n=1.5,试校核I截面疲劳强度。MPab500MPa2001例题例题 12-1第十二章 交变应力解：nKnmax15 . 1nMPa2001,m10696. 132343dW,083. 012010dr167. 1120140dD54. 1KN.m,8400105. 0FM第十二章 交变应力5 . 1713. 19 .4596. 068. 054. 1200max1nKn该截面疲劳强度足够。MPa,5 .49maxWM,68. 096. 0第十二章 交变应力12-6 12-6 持久极限曲线持久极限曲线0 . 0r6 . 0r1rmaxNOr107第十二章 交变应力maAOCBDE0rb4

17、511r1rtan1tan1rG)2,2(00G),(am第十二章 交变应力22001tgrmara1maxamrrtgma11minmaxminmaxtan1tan1r直线直线ACAC的斜率：的斜率：直线直线ACAC的方程：的方程：第十二章 交变应力12-7 12-7 不不对称循环下构件的疲劳强度计算对称循环下构件的疲劳强度计算amA1AOmaI HBC1CKGP1*1K*1C第十二章 交变应力)(1rmaraKKrmara1maxamrPHOHmarmmarPHPHOHnmax直线直线ACAC：那么直线那么直线 的纵坐标：的纵坐标：1CA1构件工作时，若危险点的应力循环由点构件工作时，若危险点的应力循环由点 表示表示),(amP构件工作安全系数构件工作安全系数第十二章 交变应力rmmarmaKPH)(1amakPH1marmmarPHPHOHnmaxmakn1,1mmarmk构件工作安全系数构件工作安全系数