第12章-交變應(yīng)力.ppt

1、第12章 交變應(yīng)力,12-1 交變應(yīng)力與疲勞破壞,12-2 交變應(yīng)力的循環(huán)特性,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,12-4 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度核算,12-1 交變應(yīng)力與疲勞破壞,一、疲勞破壞的特點(diǎn),交變應(yīng)力：隨時(shí)間t作周期性循環(huán)變化的應(yīng)力。,A點(diǎn)應(yīng)力：1-2-3-4-1,12-1 交變應(yīng)力與疲勞破壞,試驗(yàn)結(jié)果表明: 材料在交變應(yīng)力作用下的破壞情況與靜應(yīng)力破壞有其本質(zhì)的不同。材料在交變應(yīng)力作用下破壞的主要特征是:,1、交變應(yīng)力下構(gòu)件的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于靜載荷作用下的強(qiáng)度 極限， 甚至小于屈服極限 。,2、破壞時(shí)，不論是脆性材料和塑性材料，均無(wú)明顯的塑性變 形，且為突然斷裂。,3、破壞的斷口，可分為光滑區(qū)及晶粒粗

2、糙區(qū)。在光滑區(qū)可 見(jiàn)到微裂紋的起始點(diǎn)（疲勞源），周圍為中心逐漸向四周擴(kuò) 展的弧形線。,粗糙區(qū),光滑區(qū),裂紋源,在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞，稱為疲勞破壞。,4、材料發(fā)生破壞前，應(yīng)力隨時(shí)間變化經(jīng)過(guò)多次重復(fù)，其循環(huán) 次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)。應(yīng)力愈大，循環(huán)次數(shù)愈少。,疲勞破壞產(chǎn)生的機(jī)理：,交變應(yīng)力超過(guò)一定的限度，在構(gòu)件上應(yīng)力集中處，產(chǎn)生微裂紋，再向四周擴(kuò)展，形成宏觀裂紋，而不斷擴(kuò)展。擴(kuò)展中裂紋表面摩擦，形成光滑區(qū)；隨著裂紋的擴(kuò)展，形成弧形。當(dāng)表面被削弱至不能承受所加載荷而斷裂，即為脆斷粗糙區(qū)。,12-1 交變應(yīng)力與疲勞破壞,疲勞破壞產(chǎn)生的過(guò)程可概括為：,裂紋形成 裂紋擴(kuò)展 斷裂,12-2 交變應(yīng)力的循環(huán)

3、特性,一、 交變應(yīng)力的循環(huán)特征及分類,1、應(yīng)力循環(huán):一點(diǎn)的應(yīng)力由某一數(shù)值開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一次完整的變 化又回到這一數(shù)值的一個(gè)過(guò)程。,最大應(yīng)力：,平均應(yīng)力：,應(yīng)力幅：,循環(huán)特征：,且,以上五個(gè)特征值中，只有二個(gè)是獨(dú)立的。滿足,具體描述一種交變應(yīng)力，可用最大應(yīng)力 和循環(huán)應(yīng)力r， 或用平均應(yīng)力 和應(yīng)力幅值 。,2、幾種典型的交變應(yīng)力情況,不穩(wěn)定的交變應(yīng)力： 、 不是常量， 為變化的 （不等幅情況）。,12-2 交變應(yīng)力的循環(huán)特性,穩(wěn)定的交變應(yīng)力： 、 均不變， 為常數(shù) （等幅情況）；,（1）對(duì)稱循環(huán)：如受彎的車軸,，,（2）非對(duì)稱循環(huán) ：,12-2 交變應(yīng)力的循環(huán)特性,（a）脈動(dòng)循環(huán)：如齒輪,（b）靜應(yīng)力

4、：如拉壓桿,12-2 交變應(yīng)力的循環(huán)特性,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,疲勞壽命：材料在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng) 力循環(huán)次數(shù)，記作 N，與 及 r 有關(guān)。,疲勞極限或有限壽命持久極限： 材料在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N下，不發(fā)生疲勞破環(huán)的最大應(yīng)力值，記作 。,無(wú)限壽命疲勞極限或持久極限 ： 當(dāng) 不超過(guò)某一極限值，材料可以經(jīng)受“無(wú)數(shù)次”應(yīng)力 循環(huán)而不發(fā)生破壞，此極限值稱為無(wú)限壽命疲勞極限或持久極限。,值是工程材料最常見(jiàn)、最基本的材料性能指標(biāo)之一。測(cè)定該值 的方法為：,試件：d=7-10mm，表面磨光的小試件6-10 根。,機(jī)器：疲勞試驗(yàn)機(jī)（簡(jiǎn)支梁式或懸臂梁式）,一、持久極限的概念與測(cè)定方

5、法,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,步驟：,先取 ，經(jīng)過(guò) 次循環(huán)后斷裂;,再取 （比 減少20-40MPa） ，經(jīng)過(guò) 次循環(huán)后斷裂;,如果第七根試件在 下經(jīng)歷了 次循環(huán)次數(shù)而不 斷裂，并且 或 ，則 即為該材料的疲勞極限 。否則，進(jìn)行下一根試件的試 驗(yàn)。,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作疲勞強(qiáng)度-壽命曲線-N圖或-lgN圖。,循環(huán)基數(shù)：鋼： （出現(xiàn)水平漸近線） 有色金屬：規(guī)定 （名義疲 勞極限），疲勞曲線不出現(xiàn)水平漸近線。,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,從圖中可以看出：對(duì)于鋼材， 時(shí)，-N曲線會(huì)出現(xiàn)一 條水平漸近線， 。這意味著當(dāng) 時(shí)，試件經(jīng)歷 有限次應(yīng)力循環(huán)后會(huì)發(fā)生疲勞破壞，即疲勞

6、壽命是有限的；當(dāng) 時(shí)，試件經(jīng)歷無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，即 疲勞壽命是無(wú)限的。此 值稱為疲勞極限或持久極限。,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,二、影響疲勞極限的因素,構(gòu)件的持久極限是指構(gòu)件可以經(jīng)受“無(wú)數(shù)次”應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生 破壞的最大交變應(yīng)力值。與材料的持久極限相比必須考慮一下因 素：,1、構(gòu)件外形引起的影響應(yīng)力集中 若構(gòu)件上有螺紋、鍵槽、鍵肩等，其持久極限要比同樣尺寸的光滑試件有所降低。,K稱為彎曲（或拉壓）時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)(K1),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (a),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (b),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (c

7、),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (d),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (e),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,圖 11-1 (f),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,2、構(gòu)件尺寸的影響,3、構(gòu)件表面質(zhì)量的影響,（1）表面加工影響：表面加工系數(shù),大試件的持久極限比小試件的持久極限要低,尺寸對(duì)持久極限的影響程度，用尺寸系數(shù)表示,實(shí)際構(gòu)件表面的加工質(zhì)量對(duì)持久極限也有影響，這是因?yàn)椴煌募庸ぞ仍诒砻嫔显斐傻牡逗蹖⒊尸F(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。,若構(gòu)件表面經(jīng)過(guò)淬火、氮化、滲碳等強(qiáng)化處理，其持久極限也得到提高。,為不同表面加工的構(gòu)件的持久極限， 為表面磨光構(gòu)件的 持久極限。,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,（2）表面腐蝕影響：表面腐蝕系數(shù),為腐蝕介質(zhì)中構(gòu)件的持久極限， 為空氣中構(gòu)件的持久 極限。,（3）表面強(qiáng)化影響：表面強(qiáng)化系數(shù),為以不同強(qiáng)化方法處理構(gòu)件的持久極限， 為未經(jīng)強(qiáng)化 構(gòu)件的持久極限。,以上 、 、 總稱為表面狀態(tài)系數(shù)，以表示。在計(jì)算 中，根據(jù)具體情況取其中主要因素，一般不將各值相乘。即,12-3 材料與構(gòu)件持久極限,在考慮應(yīng)力集中、尺寸大小和表面狀態(tài)的綜合影響后，構(gòu)件 在循環(huán)特征 r=-1 下的疲勞極限為：,構(gòu),12-3 材料與構(gòu)件持久極限,12-4 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度核算,構(gòu),規(guī)