工程力学交变应力PPT课件.ppt

交变应力,1,本节要点,（1）交变应力的循环特性（2）材料的持久极限（3）持久极限的影响因素（4）疲劳破坏的机理,重要概念,交变应力、循环特性、持久极限、疲劳破坏、循环振幅、循环特征、平均循环应力,2,1-4交变应力及疲劳破坏,目录,1-5-1交变应力的循环特性、应力幅度和平均应力,1-5-2材料的持久极限,1-6影响构件持久极限的因素,1-7持久极限曲线及其简化折线,1-8不对称循环下构件的疲劳强度计算,1-9弯曲和扭转组合交变应力下构件的疲劳强度计算,*提高构件疲劳强度的措施,3,1-4交变应力及疲劳破坏,工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。例如火车的轮轴。,4,5,一、定义：交变应力：构件中点的应力状态随时间而作周期性变化的应力。疲劳破坏：在交变应力下，虽然最大应力小于屈服极限，长期重复之后，也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性变形。这种破坏现象习惯上称为疲劳破坏,二、交变应力所造成的危害：,6,1.断面呈现光滑区和粗糙区两部分。2.光滑区有明显的裂纹源。3.粗糙区域与脆性材料（铸铁）构件在静载下脆性破坏的断口相似。4.因交变应力产生破坏时，最大应力值一般低于静载荷作用下材料的抗拉(压)强度极限b，有时甚至低于屈服极限s5.材料的破坏为脆性断裂，一般没有显著的塑性变形，即使是塑性材料也是如此。在构件破坏的断口上，明显地存在着两个区域：光滑区和颗粒粗糙区。6.材料发生破坏前，应力随时间变化经过多次重复，其循环次数与应力的大小有关。应力愈大，循环次数愈少。,二、疲劳破坏构件的特征：,7,疲劳失效实例,8,工程实例,9,10,三、疲劳破坏的解释：由于构件的形状和材料不均匀等原因，构件某些局部区域的应力特别高。在长期交变应力作用下，于上述应力特别高的局部区域，逐步形成微观裂纹。裂纹尖端的严重应力集中，促使裂纹逐渐扩展，由微观变为宏观。当裂纹逐步扩展到一定限度时，便可能骤然迅速扩展，使构件截面严重削弱，最后沿严重削弱了的截面发生突然脆性断裂。从上述解释与疲劳破坏断面的特征较吻合，故较有说服力。,11,疲劳失效原因分析,晶粒,12,疲劳失效原因分析,13,疲劳失效原因分析,初始缺陷,滑移,滑移带,初始裂纹(微裂纹),宏观裂纹,脆性断裂,14,疲劳失效特征,同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。,15,三类疲劳断裂,常温环境的疲劳断裂非常温环境的疲劳断裂-腐蚀疲劳(锅炉、压力容器)磨损疲劳(齿轮、叠板弹簧),16,1-5-1交变应力的循环特性应力幅度和平均应力,17,18,上述几个参数是描述交变应力状态下构件的应力变化规律的几个参数，我们称为循环特性参数。从这几个参数，我们可很直观地看出构件的应力变化规律。如：,(2)非对称循环：,19,（3）脉动循环：变动于零到某一最大值之间的交变应力循环，称为脉动循环。,（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:,（5）稳定交变应力：交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作过程中始终保持不变，称为稳定交变应力，否则称为不稳定交变应力。,目录,20,疲劳强度设计的依据持久极限,持久极限经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。又称为疲劳极限(endurancelimit).,持久极限由疲劳实验确定,1-5-2材料的持久极限,如前所述：构件在交变应力下，当最大应力低于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。因此，屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。,21,弯曲疲劳实验设备,22,结构疲劳试验,23,一、实验：把一级相同的试件从高到低加上一定载荷使其承受交变应力，直至其破坏为止，并记下每个试件在破坏前的应力循环次数N。,结果：当r一定时：,24,二、应力寿命曲线：,25,不同循环特征的疲劳曲线,26,讨论：,27,3.实际上，试验不可能无限期的进行下去，一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。与N0对应的就是持久极限。,目录,28,1-6影响构件持久极限的因素,下面介绍影响构件持极限的几种主要因素：,一、构件外形的影响：构件外形的突然变化，例如构件上有槽、孔、缺口、轴肩等，都将引起应力集中。在应力集中的局部区域更易形成疲劳裂纹，使构件的持久极限显著降低。由于这种应力集中是以应力集中系数表示的，故构件外形对持久极限的影响可通过应力集中系数来反映。,29,有效应力集中系数,式中：,关于有效应力集中系数与试件尺寸，外形的关系见图1-18至1-21从这些曲线中可看出：有效应力集中系数不仅与构件的形状，尺寸有关，而且与材料的极限强度,亦即与材料的性质有关。一般说来，静载抗拉强度越高,有效应力集中系数越大，即对应力集中也就越敏感。,30,31,32,33,34,35,36,尺寸系数,常用钢材的尺寸系数见下表：,二、构件尺寸的影响：持久极限一般是用直径为7-10mm的小试件测定的，随着试件横截面尺寸的增大，持久极限却相应地降低。这种尺寸对持久极限的影响一般是通过尺寸系数来表示的。,37,38,三、构件表面质量的影响：构件表面的加工质量对持久极限也有影响，例如当表面存在刀痕时，刀痕的根部将出现应力集中，因而降低了持久极限，反之，构件表面经强化方法提高后，其持久极限也就得到提高。,表面质量系数,39,总结：综合考虑：构件的外形的影响；构件尺寸的影响；构件表面质量的影响三方面的因素，构件在对称循环下的持久极限应该是：,注：除上述三方面的