工程力学(经典)第十七章疲劳强度.ppt

第十七章 构件的疲劳强度Evaluation only. Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构 件承受件承受随时间周期性变化的应力随时间周期性变化的应力，这种应力称为，这种应力称为 交变应力。交变应力。 交变应力与疲劳破坏密切相关。交变应力与疲劳破坏密切相关。 本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以 及影响因素和疲劳强度计算等及影响因素和疲劳强度计算等 。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 17.117.1交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 P P m n t A 1 2 3 4 t 1 2 3 4 1 A点应力：1-2-3-4-1 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 交变应力的特点： 1、交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限 ， 甚至小于屈服极限 。 2、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，通常称疲劳破坏。 3、疲劳破坏的断口，可分为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。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 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。 疲劳破坏产生的过程可概括为： 裂纹形成 裂纹扩展 断裂 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故 1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成 100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造 成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引 起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。 据150多年来的统计，金属部件中有80以上的损坏是由于 疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲 劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉 折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨 断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 17.2 17.2 交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值 应力循环: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。 t T 最大应力： ； 最小应力： ； 平均应力： 应力幅： 循环特征： 且 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足 具体描述一种叫变应力，可用最大应力 和循环应力r， 或用平均应力 和应力幅值 。 几种典型的交变应力情况 不稳定的交变应力： 、 不是常量， 变化 （不等幅情况）。 稳定的交变应力： 、 均不变， 为常数 （等幅情况）； Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值 （1）对称循环：如受弯的车轴 t （2）脉动循环：如齿轮 t Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. （3）静应力：如拉压杆 t t （4）非对称循环： ， Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 17.3 17.3 材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定 疲劳寿命：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应 力循环次数，记作 N，与 及 r 有关。 在一定的循环特征 r 下： 疲劳极限或有限寿命持久极限： 材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳破环的最大应 力值，记作 。 无限寿命疲劳极限或持久极限 ： 当 不超过某一极限值，材料可以经受“无数次”应力 循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。 测定该值的方法为： 试件：d=7-10mm，表面磨光的小试件6-10 根。 机器：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式） 循环基数：钢： （出现水平渐近线） 有色金属： 规定 名义疲劳极限）， 疲劳曲线不出现水平渐近线。 步骤： Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定 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; 如果第七根试件在 下经历了 次循环次数 而不断裂，并 或 ， 则 即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一根试件的试 验。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 17.4 17.4 影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素 构件的持久极限是指构件可以经受“无数次”应力循环而不发生 破坏的最大交变应力值。与材料的持久极限相比必须考虑一下因 素： 1、构件外形引起的影响应力集中 K称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；K称为扭转时的 有效应力集中系数。K与Kr均是大于1的数值。有效应力集中系数 K或Kr与材料性质有关: Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. (1)钢的强度极限b愈高，有效应力集中系数K或K愈大。钢的组 织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度呢愈高，因此高强度钢的K 及K之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影 响较大。 (2) r/d愈大，应力集中系数K及K愈小，所以增大构件的圆角半 径r,可以降低应力集中的影响。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 2. 构件尺寸的影响 试验证实 ：疲劳极限随尺寸的增加而降低，设1 和1 为 光滑大试件的疲劳极限，1 与 1 为用光滑小试件（d=7 10 mm）的疲劳极限,尺寸系数定义为： 3、构件表面状态的影响 （1）表面加工影响：表面加工系数 为不同表面加工的构件的持久极限， 为表面磨光 构件的持久极限。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. （2）表面腐蚀影响：表面腐蚀系数 为腐蚀介质中构件的持久极限， 为空气中构件的持久 极限。 （3）表面强化影响：表面强化系数 为以不同强化方法处理构件的持久极限， 为未经强化 构件的持久极限。 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 以上 、 、 总称为表面状态系数，以表示。在计算 中，根据具体情况取其中主要因素，一般不将各值相乘。即 = 不同表面质量构件的持久极限 表面磨光试样的持久极限 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NE