12交变应力与疲劳破坏1

1、第十二章第十二章 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 课题课题121 121 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 课题课题121 121 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 1.交变应力交变应力一、交变应力的概念一、交变应力的概念二、疲劳破坏与持久极限二、疲劳破坏与持久极限 随时间作交替随时间作交替变化的应力。变化的应力。 1.疲劳破坏疲劳破坏 疲劳破坏实质上就是裂纹产生、扩展疲劳破坏实质上就是裂纹产生、扩展和最后断裂的全过程。和最后断裂的全过程。 2.2.循环特征循环特征FFMxFFMx 应力每循环变化一次，称为应力每循环变化一次，称为一个应力循环。一个应力循环。 构件在交变应力作用下

2、发生的断裂破构件在交变应力作用下发生的断裂破坏称为疲劳破坏。坏称为疲劳破坏。AtFFMxAt 循环特征循环特征r r最小应力与最大最小应力与最大应力的比值。应力的比值。r r=-1=-1为对称循环，为对称循环， r r -1-1非对称循环，非对称循环，r r= =0 0脉动循环脉动循环一个应力循环tItdMIMyzzAAsinsin2max 材料能够经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏的极限应力值材料能够经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏的极限应力值称为材料的持久极限，用称为材料的持久极限，用r r表示。表示。 2.2.材料的持久极限材料的持久极限 材料持久极限的实验测定材料持久极限的实验测定

3、持久极限与循环特征有关，以对称循环下的持久极限持久极限与循环特征有关，以对称循环下的持久极限-1-1为最为最低。因此，对称循环下的持久极限低。因此，对称循环下的持久极限-1-1作为材料主要疲劳强度指标作为材料主要疲劳强度指标 材料疲劳实验机 材料疲劳实验机疲劳曲线 从疲劳曲线可以看出，从疲劳曲线可以看出，循环次数随着试件内最大应力的减小而循环次数随着试件内最大应力的减小而增加，当应力降低到某一数值后，循环次数无限增加，即疲劳曲线增加，当应力降低到某一数值后，循环次数无限增加，即疲劳曲线有一条水平渐近线对应的应力值，为有一条水平渐近线对应的应力值，为材料的持久极限。材料的持久极限。 1.1.构件

4、的持久极限构件的持久极限 影响构件持久极限的主要因素有三个方面。影响构件持久极限的主要因素有三个方面。 三三. .构件的持久极限与疲劳强度计算构件的持久极限与疲劳强度计算 1 1）应力集中的影响应力集中的影响 2 2）构件尺寸的影响）构件尺寸的影响 3 3）表面加工质量的影响）表面加工质量的影响 构件由于工艺和实用要求，常需钻孔、构件由于工艺和实用要求，常需钻孔、开槽或设台阶等，致使构件截面发生突然变化。试验表明在截面突开槽或设台阶等，致使构件截面发生突然变化。试验表明在截面突变处，将出现应力集中现象。由于应力集中会促使疲劳裂纹的形成变处，将出现应力集中现象。由于应力集中会促使疲劳裂纹的形成与

5、扩展，使持久极限降低，因此构件的持久极限要比标准试件的持与扩展，使持久极限降低，因此构件的持久极限要比标准试件的持久极限低。其影响程度用有效应力集中系数久极限低。其影响程度用有效应力集中系数K K表示。表示。 试验表明，材料、形状相同的构件，若试验表明，材料、形状相同的构件，若尺寸大小不同，其持久极限也不相同。构件尺寸愈大，其内部所包尺寸大小不同，其持久极限也不相同。构件尺寸愈大，其内部所包含的杂质和缺陷愈多，产生裂纹的可能性也愈大，其持久极限则相含的杂质和缺陷愈多，产生裂纹的可能性也愈大，其持久极限则相应降低。构件尺寸对持久极限的影响可用尺寸系数应降低。构件尺寸对持久极限的影响可用尺寸系数表

6、示。表示。 构件的最大应力一般发生于表层，构件的最大应力一般发生于表层，疲劳裂纹也多于表层形成。而实际构件的表面加工质量往往低于标疲劳裂纹也多于表层形成。而实际构件的表面加工质量往往低于标准试件，就会因表面存在的刀痕或擦伤引起应力集中，疲劳裂纹将准试件，就会因表面存在的刀痕或擦伤引起应力集中，疲劳裂纹将由此产生并扩展，降低了持久极限。表面加工质量对持久极限的影由此产生并扩展，降低了持久极限。表面加工质量对持久极限的影响用表面质量系数响用表面质量系数表示。表示。 构件的持久极限除以上主要影响因素外，还有如介质的腐蚀构件的持久极限除以上主要影响因素外，还有如介质的腐蚀、温度的变化等因素的影响，这些

7、影响可以用修正系数来表示。、温度的变化等因素的影响，这些影响可以用修正系数来表示。 综上所述，构件在对称循环交变正应力下的持久极限为综上所述，构件在对称循环交变正应力下的持久极限为 2.2.构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算 考虑到一定的安全储备，用考虑到一定的安全储备，用n n表示规定的安全系数，则构件在对表示规定的安全系数，则构件在对称循环交变正应力下的许用应力称循环交变正应力下的许用应力 0 0-1-1 就等于其持久极限除以安全就等于其持久极限除以安全系数。则构件的系数。则构件的疲劳强度准则疲劳强度准则为为 式中式中maxmax是构件危险点的最大工作应力。在机械设计中，一般是构件危险点

8、的最大工作应力。在机械设计中，一般疲劳强度计算采用安全系数法，若令疲劳强度计算采用安全系数法，若令n n为工作安全系数，则有为工作安全系数，则有 110k110maxnknknmax1max10 对于构件对称循环交变切应力下的疲劳计算与以上相类似。对对于构件对称循环交变切应力下的疲劳计算与以上相类似。对于非对称循环，只要在对称循环的疲劳计算式中增加一个修正值。于非对称循环，只要在对称循环的疲劳计算式中增加一个修正值。 课后作业：课后作业：工程力学练习册工程力学练习册练习三十八练习三十八本课节小结本课节小结 1.疲劳破坏疲劳破坏构件在交变应力作用下发生的断裂破坏。疲劳破构件在交变应力作用下发生的断裂破坏。疲劳破坏实质上就是裂纹产生、扩展和最后断裂的全过程。坏实质上就是裂纹产生、扩展和最后断裂的全过程。一、交变应力的概念一、交变应力的概念 交变应力交变应力随时间作交替变化的应力。随时间作交替变化的应力。二、疲劳破坏与持久极限二、疲劳破坏与持久极限 2.2.材料的持久极限材料的持久极限r r 材料能够经历无限次应力循环而不发材料能够经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏的极限应力值生疲劳破坏的极限应力值 1.1.构件的持久极限构件的持久极限 循环