交变应力讲解课件

1、材料力学第十一章 交变应力第十一章 交变应力111 概述112 交变应力的几个名词术语113 材料持久限及其测定114 构件持久限及其计算115 对称循环下构件的疲劳强度计算动荷的分类及其研究方法 构件做匀加速运动（如圆周运动） 加上惯性力 机械结构中常用 加速度周期变化用振动理论 加速度剧变（如冲击 t=0.01s） 用能量法 各种机械中都会遇到 载荷周期变化交变应力 11 概 述折铁丝目录目录一、交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力称为交变应力。o交变应力aaLppFSM火车轮轴简化为一外伸梁tydPammtydo2134交变应力12341maxmint材料在交变应力

2、下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。二、疲劳破坏的特点：1、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形， 且为“突然”断裂，破坏前没有明显的预兆（危害性）2、疲劳破坏的断口，有明显的光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可 见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩展的弧形线 （判断依据）3、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循环。4、破坏时的最大应力值远小于静载荷作用下破坏时的极限应力 （必要性） 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，机械零件，尤其是高速运转的构件的破坏，大部分属于疲劳破坏。1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡27

3、0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3三、疲劳破坏产生的机理： 交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。疲劳破坏产生的

4、过程可概括为：裂纹形成 裂纹扩展 断裂四、疲劳破坏的发展过程:1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。2.产生微观裂纹。3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。4.宏观主导裂纹稳定扩展。5.结构失稳或完全断裂。交变应力目录疲劳失效的解释 材料的疲劳失效是在交变应力作用下，材料中裂纹的形成和逐渐发展的结果具体过程如下：（1）、原因 由于构件的形状变化、材料不均匀、表面加工质量等原因，使得构件内某局部区域的应力偏高，形成高应力区而裂纹尖端处于严重的应力集中是导致疲劳失效的主要原因。构件长期在交变应力的作用下，在最不利或较弱的晶体，沿最大切应力作用面形成滑移带，滑移带开裂形成微观裂纹；（2

5、）、微观裂纹形成分散的微观裂纹经过集结沟通，形成宏观裂纹，此即裂纹萌生的过程。(3)、宏观裂纹裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形。已形成的宏观裂纹在交变应力的作用下逐渐扩展，扩展是缓慢的并且是不连续的。因应力水平的高低时而持续，时而停滞，裂纹两侧时压、时离，似相互研磨，形成光滑区。（4）、裂纹扩展随裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，应力增大。当削弱到一定极限时，应力增大到一定程度，在突变的外因（超载、冲击或振动）下突然断裂，断口出现粗糙区。（5）、脆断tT一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变化又回到这一数值的一个过程;最大应力： 最小应力： ；平均应力：交变应力112 交变应

6、力的循环特性、应力幅和平均应力1、交变应力的参数应力幅：循环特征：具体描述一种交变应力，可用最大应力 和循环特性r， 或用平均应力 和应力幅值 。 动载荷/交变应力以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足具体描述一种交变应力，可用最大应力 和循环应力r， 或用平均应力 和应力幅值 。 2、几种典型的交变应力情况不稳定的交变应力： 、 不是常量， 为变化的 （不等幅情况）。稳定的交变应力： 、 均不变， 为常数 （等幅情况）；（1）对称循环：如受弯的车轴t ，（2）非对称循环 ：o（a）脉动循环：如齿轮t（b）静应力：如拉压杆t例1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小

7、拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。解：交变应力 材料在交变应力作用下产生疲劳失效时所经历的应 力循环次数，记作 N；113 持久极限疲劳寿命：与 及 r 有关。一、材料的持久极限在一定的循环特征 r 下：交变应力材料经历无数次应力循环仍不发生疲劳失效的最大应力材料持久限(疲劳极限)用r 表示。无限寿命疲劳极限或持久极限材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳失效的最大应力值，记作 。有限寿命持久极限： 值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。 测定该值 的方法如下：试件：机器：d=7-10mm;表面磨光的小试件6-10 根。疲劳试验机（

8、简支梁式或悬臂梁式）二、材料在纯弯、对称循环下持久极限的测定试验装置步骤：先取 ，经过 次循环后断裂;再取 （比 减少20-40MPa） ，经过 次循环后断裂;N1为该组试件的平均值根据试验结果作疲劳强度-寿命曲线-N图。水平渐近线的纵坐标值持久极限N(次数)sNAsAsrN0三、名义持久极限、持久寿命循环基数N0：钢：107有色金属：108名义持久极限材料在规定的应力循环基数N0下，不发生疲劳失效的最大应力值(NA A)材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳失效的最大应力值材料的持久极限交变应力114 影响构件持久极限的因素光滑、小试件、实验室测得构件可以经受“无数次”应力循环而不发生疲劳

9、失效的交变应力最大值。材料的持久极限r 对于同种材料制成的形状不同、工作环境不同的具体构件，持久极限会相同吗？构件的持久极限与材料的持久极限相比必须考虑一些影响因素；1、构件外形引起的影响K称为的有效应力集中系数应力集中f50f40r=5不仅与外形有关，还与材料有关应力集中会显著降低构 件的持久极限构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。 2、构件尺寸的影响随构件横截面尺寸的增大，持久极限会相应地降低持久极限是用小试样测定的，实际构件尺寸较大。 3、构件表面质量的影响构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；使得构件的表面存在较严重的应力集中；构

10、件的表面质量越高，持久极限越高 =不同表面质量构件的持久极限表面磨光试样的持久极限尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；综合以上影响系数，使得构件的持久极限低于材料的持久极限表面腐蚀影响；表面强化影响；另外，对于具体的构件还应考虑：工作环境工作温度等构件的持久极限例2 阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，1= 420MPa ，1= 250MPa ，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数由表查尺寸系数交变应力f50f40r=52.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数应用直线插值法由表查尺寸系数交变应力115 对称循环下构件的疲劳强度计算一、对称循环的疲劳容许应力:二、对称循环的疲劳强度条件:交变应力目录例3 旋转碳