交变应力疲劳

第十一章交变应力 在工程中 尤其是在机械工程中 有许多构件承受随时间周期性变化的应力 这种应力称为交变应力 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 持久极限以及影响因素和疲劳强度计算等 11 1交变应力与疲劳失效 应力随时间作周期性变化 这种应力叫做交变应力 静平衡位置 试验结果表明 材料在交变应力作用下的破坏情况与静应力破坏有其本质的不同 材料在交变应力作用下破坏的主要特征是 1 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 s 2 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 3 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 粗糙区 光滑区 裂纹源 交变应力与疲劳破坏 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 在交变应力作用下发生的破坏 称为疲劳破坏 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 交变应力与疲劳破坏 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 金属疲劳造成的事故 第十二章交变应力 11 2交变应力的循环特征应力幅值平均应力 循环特性 平均应力 应力幅度 对称循环 非对称循环 脉动循环 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 2 脉动循环 如齿轮 第十二章交变应力 交变应力的循环特性和应力幅值 3 静应力 如拉压杆 4 非对称循环 这一临界值称为材料的持久极限或疲劳极限 用表示 在减小到某一临界值时 试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏 反之 降低 便可使破坏前经历的循环次数增多 实验表明 在同一循环特征下 交变应力的最大应力越大 破坏前经历的循环次数越少 11 3持久极限 在纯弯曲变形下 测定对称循环的持久极限技术上较简单 将材料加工成最小直径为7 10mm 表面磨光的试件 每组试验包括6 10根试件 11 4影响构件持久极限的因素 一 构件外形的影响若构件上有螺纹 键槽 键肩等 其持久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低 其影响程度用有效应力集中系数表示 有效应力集中因数 图11 8 a 图11 8 b 图11 8 c 图11 8 d 图11 8 e 图11 8 f 二 构件尺寸的影响 大试件的持久极限比小试件的持久极限要 低 尺寸对持久极限的影响程度 用尺寸系数表示 下表给出了在弯 扭的对称应力循环时的尺寸系数 三 构件表面质量的影响 实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响 这是因为不同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中 若构件表面经过淬火 氮化 渗碳等强化处理 其持久极限也就得到提高 表面质量对持久极限的影响用表面状态系数 表示 综合考虑上述三种影响因素 构件在对称循环下的持久极限 11 5对称循环下构件的疲劳强度计算 第十二章能量法 12 1概述在弹性范围内 弹性体在外力作用下发生变形而在体内积蓄的能量 称为弹性变形能 简称变形能 物体在外力作用下发生变形 物体的变形能在数值上等于外力在加载过程中在相应位移上所做的功 即U W 12 2杆件变形能计算 一 轴向拉伸和压缩 二 扭转 三 弯曲 纯弯曲 横力弯曲 四 组合变形 截面上存在几种内力 各个内力及相应的各