2014材力新課件第14章交變應(yīng)力

1、第14章 交變應(yīng)力14.1 交變應(yīng)力與疲勞失效14.2 交變應(yīng)力的基本參量14.3 持久極限14.4 影響持久極限的因數(shù)14.5 持久極限的曲線14.6 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算14.7 疲勞裂紋擴(kuò)展與構(gòu)件的疲勞壽命14.8 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施第14章 交變應(yīng)力 工程中有一些構(gòu)件或零件中的應(yīng)力與加速度無(wú)關(guān)，但是這些應(yīng)力的大小卻隨著時(shí)間的變化而作周期性變化，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的失效，稱為疲勞失效或疲勞破壞，簡(jiǎn)稱疲勞。 14.1 交變應(yīng)力與疲勞失效 對(duì)于飛機(jī)、火箭、艦船等運(yùn)載工具和礦山、冶金機(jī)械、化工、發(fā)電設(shè)備等，疲勞是其零件或構(gòu)件的主要失效形式 大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在許

2、多機(jī)械的斷裂事故中，由于疲勞失效引起的斷裂占到80%以上。 14.1 交變應(yīng)力與疲勞失效例如，火車輪軸上承受的載荷F ，大小方向基本不變，即彎矩基本不變，但當(dāng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橫截面上的點(diǎn)到中性軸的距離卻是隨時(shí)間變化的，點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力為14.1 交變應(yīng)力與疲勞失效 疲勞是其零件或構(gòu)件的主要失效形式 裂紋的生成和擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程 對(duì)于一般構(gòu)件來(lái)說(shuō)，機(jī)械加工的切削痕、階梯部分、圓孔部分以及亞表面夾雜物等應(yīng)力集中處，是疲勞裂紋首先發(fā)生的地方。一般來(lái)說(shuō)，在一定的交變應(yīng)力作用下，金屬材料中的非金屬夾雜物本身就可能發(fā)生斷裂或與基體界面發(fā)生分離，導(dǎo)致疲勞裂紋的形成。對(duì)于一般韌性金屬表面精加工后的構(gòu)件，疲勞裂紋

3、是由滑移而產(chǎn)生的。14.2 交變應(yīng)力的基本參量交變應(yīng)力的基本參量在交變荷載作用下應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，稱為應(yīng)力譜。 隨著時(shí)間的變化，應(yīng)力在一固定的最小值和最大值之間作周期性的交替變化，應(yīng)力每重復(fù)變化一次的過(guò)程稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。一個(gè)應(yīng)力循環(huán)tO通常用以下參數(shù)描述循環(huán)應(yīng)力的特征應(yīng)力比 r(2)應(yīng)力幅(3)平均應(yīng)力 一個(gè)非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力可以看作是在一個(gè)平均應(yīng)力 m 上疊加一個(gè)應(yīng)力幅為 的對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力組合構(gòu)成。 r = -1 ：對(duì)稱循環(huán) ；r 0 ：拉拉循環(huán) 或壓壓循環(huán)。14.2 交變應(yīng)力的基本參量14.3 持久極限疲勞極限 將若干根尺寸、材質(zhì)相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上依次進(jìn)行r = -1的常幅疲勞

4、試驗(yàn)。各試樣加載應(yīng)力幅 均不同，因此疲勞破壞所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 各不相同。 以 為縱坐標(biāo)，以N 為橫坐標(biāo)（通常為對(duì)數(shù)坐標(biāo)），便可繪出該材料的應(yīng)力壽命曲線即S-N 曲線如圖（以40Cr鋼為例）注：由于在r =-1時(shí)，max = /2，故S-N 曲線縱坐標(biāo)也可以采用max 。104105106107108550650750850Nsmax/MPa104105106107108550650750850Nsmax/MPa從圖可以得出三點(diǎn)結(jié)論：(1)對(duì)于疲勞，決定壽命的最重要因素是應(yīng)力幅 。(2)材料的疲勞壽命N 隨應(yīng)力幅 的增大而減小。 (3)存在這樣一個(gè)應(yīng)力幅，低于該應(yīng)力幅，疲勞破壞不會(huì)發(fā)生，該

5、應(yīng)力幅稱為疲勞極限，記為 -1 。14.3 持久極限 對(duì)于鋁合金等有色金屬，其S-N曲線沒有明顯的水平部分，一般規(guī)定 時(shí)對(duì)應(yīng)的 稱為條件疲勞極限，用 表示。對(duì)低碳鋼，彎曲疲勞極限 拉壓疲勞極限 14.3 持久極限14.4 影響持久極限的因數(shù)1.構(gòu)件外形的影響 構(gòu)件外形的突然變化，例如構(gòu)件上有槽、孔、缺口、軸肩等，將引起應(yīng)力集中有效應(yīng)力集中因數(shù)或理論應(yīng)力集中因數(shù)2.零件尺寸的影響尺寸因數(shù)光滑零件的疲勞極限試樣的疲勞極限查看表14.2 尺寸因數(shù) 14.4 影響持久極限的因數(shù)直徑d(mm)碳鋼合金鋼各種鋼直徑d(mm)碳鋼合金鋼各種鋼20300.910.830.8970800.750.660.733

6、0400.880.770.8180900.730.640.7240500.840.730.781001200.700.620.7050600.810.700.761201300.680.630.6860700.780.680.741301400.600.540.6014.4 影響持久極限的因數(shù)表14.2 常用鋼材的尺寸因數(shù)3.表面加工質(zhì)量的影響表面質(zhì)量因數(shù)看表14.2 不同表面粗糙度的表面質(zhì)量因數(shù)磨削加工（試樣）其他加工一般情況下，構(gòu)件的最大應(yīng)力發(fā)生于表層，疲勞裂紋也多于表層生成。表面加工的刀痕、擦傷等將引起應(yīng)力集中，降低持久極限。所以表面加工質(zhì)量對(duì)持久極限有明顯的影響。14.4 影響持久極限

7、的因數(shù)14.4 影響持久極限的因數(shù)表14.3 常見不同表面粗糙度的表面質(zhì)量因數(shù)直徑d(mm)碳鋼合金鋼各種鋼直徑d(mm)碳鋼合金鋼各種鋼20300.910.830.8970800.750.660.7330400.880.770.8180900.730.640.7240500.840.730.781001200.700.620.7050600.810.700.761201300.680.630.6860700.780.680.741301400.600.540.60表14.4 常見各種強(qiáng)化方法的表面質(zhì)量因數(shù) 14.4 影響持久極限的因數(shù)強(qiáng)化方法心部強(qiáng)度光軸高頻淬火60080080010001.

8、51.71.31.51.61.72.42.8氮化90012001.11.251.51.71.72.1滲碳400600700800100012001.82.01.41.51.21.332噴丸硬化60015001.11.251.51.71.72.1滾子滾壓60015001.11.31.31.51.62.0材料的持久極限曲線的繪制 及簡(jiǎn)化折線14.5 持久極限曲線對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的許用應(yīng)力14.6 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 強(qiáng)度條件為 14.6 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算例：某減速器第一軸如圖 ，鍵槽為端銑加工，A-A截面上的彎矩， 軸的材料為碳鋼 ，若規(guī)定安全系數(shù) 試校核A-A截面的強(qiáng)度。 解： 先計(jì)算軸在A-A

9、截面上的最大工作應(yīng)力 14.6 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算A-A截面的抗彎截面系數(shù)為彎曲變形下的對(duì)稱循環(huán)最大應(yīng)力 14.6 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算確定軸在A-A截面上的系數(shù) 求截面A-A處的工作安全系數(shù)滿足強(qiáng)度條件 14.7 疲勞裂紋擴(kuò)展與構(gòu)件的疲勞壽命應(yīng)力強(qiáng)度因子無(wú)限大帶有裂紋的受拉平板，穿透平板厚度的裂紋長(zhǎng)為2 裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力強(qiáng)弱程度參量稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子 14.7 疲勞裂紋擴(kuò)展與構(gòu)件的疲勞壽命實(shí)驗(yàn)證明：隨著載荷的增大，應(yīng)力強(qiáng)度子 也增大， 當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子 達(dá)到某一臨界數(shù)值 時(shí)，裂紋就開始擴(kuò)展，并可能使平板斷裂。 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件即構(gòu)件含裂紋時(shí)的斷裂準(zhǔn)則 稱為材料的斷裂韌度14.7 疲勞裂紋擴(kuò)展與構(gòu)件的疲勞壽命疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命 在交變應(yīng)力作用下，裂紋從某一初始長(zhǎng)度擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度 所經(jīng)歷的應(yīng)力循