材料力学- 第十一章 交变应力

材料力学-第十一章交变应力第1页，课件共20页，创作于2023年2月第十一章交变应力

（Alternatingstress）

§11–1

交变应力与疲劳失效(Alternatingstressandfatiguefailure)§11–3持久极限(Endurancelimit)

§11–2交变应力的循环特征、应力幅和平均应力(Thecyclesymbol,stressamplitudeandmeanstressforalternatingstress）§11–4影响持久极限的因素(Theeffectivefactorsofendurancelimit)

第2页，课件共20页，创作于2023年2月§11–5

对称循环下构件的疲劳强度计算

(Calculationofthefatiguestrengthofthememberundersymmetriccycles)§11–6

持久极限曲线

(Enduringlimitcurve)§11–7不对称循环下构件的疲劳强度计算

(Calculationofthefatiguestrengthofthememberunderunsymmetriccycles)§11–8弯扭组合交变应力的强度计算

(Calculationofthestrengthofcompositdeformations)

第3页，课件共20页，创作于2023年2月§11–1

交变应力与疲劳失效

(Alternatingstressandfatiguefailure)一、交变应力（Alternatingstress)

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.AFtsＯ第4页，课件共20页，创作于2023年2月二、产生的原因(Reasons)

例题1一简支梁在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的重力作用产生静弯曲变形,当电动机工作时,由于转子的偏心而引起离心惯性力.由于离心惯性力的垂直分量随时间作周期性的变化,梁产生交变应力.1.载荷做周期性变化（Loadchangesperiodicallywithtime）2.载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化（Thepointchangeshislocationperiodicallywithtimeunderanunchangeableload）第5页，课件共20页，创作于2023年2月ωtt

st

max

min静平衡位置第6页，课件共20页，创作于2023年2月例题2火车轮轴上的力来自车箱.大小、方向基本不变.即弯矩基本不变.FF横截面上A点到中性轴的距离却是随时间t

变化的.假设轴以匀角速度

转动.

tzAA点的弯曲正应力为

随时间t按正弦曲线变化t

1

2

3

4

1O第7页，课件共20页，创作于2023年2月三、疲劳破坏（Fatiguefailure）材料在交变应力作用下的破坏习惯上称为疲劳破坏（fatiguefailure）（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度极限值,有时甚至低于材料的屈服极限.

（2）无论是脆性还是塑性材料,交变应力作用下均表现为脆性断裂,无明显塑性变形.（3）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分.1.疲劳破坏的特点（Characteristicsofthefatiguefailure）第8页，课件共20页，创作于2023年2月

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.裂纹源光滑区粗糙区

用手折断铁丝,弯折一次一般不断,但反复来回弯折多次后,铁丝就会发生裂断,这就是材料受交变应力作用而破坏的例子.

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.第9页，课件共20页，创作于2023年2月（1）裂纹萌生在构件外形突变或材料内部缺陷等部位,都可能产生应力集中引起微观裂纹.分散的微观裂纹经过集结沟通,将形成宏观裂纹.（2）裂纹扩展已形成的宏观裂纹在交变应力下逐渐扩展.（3）构件断裂裂纹的扩展使构件截面逐渐削弱,削弱到一定极限时,构件便突然断裂.2.疲劳过程一般分三个阶段（Thethreephasesoffatigueprocess）第10页，课件共20页，创作于2023年2月交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异,故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同.下图为交变应力下具有代表性的正应力—时间曲线.§11–2

交变应力的循环特征、应力幅和平均应力(Thecyclesymbol,stressamplitudeandmeanstressforalternatingstress)第11页，课件共20页，创作于2023年2月一个应力循环一、基本参数（Basicparameters）应力每重复变化一次,称为一个应力循环（stresscycle）O

t在拉,压或弯曲交变应力下在扭转交变应力下

max

min最小应力和最大应力的比值称为循环特征（cyclesymbol）.用r表示.1.应力循环(Stresscycle)2.循环特征（Cyclesymbol）第12页，课件共20页，创作于2023年2月3.应力幅（Stressamplitude）O一个应力循环

t

max

min

a

a4.平均应力（Meanstress)最大应力和最小应力代数和的一半,称为交变应力的平均应力（meanstress）.用sm表示.最大应力和最小应力的差值的的二分之一,称为交变应力的应力幅（stressamplitude）用sa

表示第13页，课件共20页，创作于2023年2月二、交变应力的分类

（Theclassificationofalternatingstress）1.对称循环（Symmetricalreversedcycle）在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号.O

max

min

t

min=-

max或

min=-

max

r=-1时的交变应力,称为对称循环（symmetricalreversedcycle）交变应力.第14页，课件共20页，创作于2023年2月（1）若非对称循环交变应力中的最小应力等于零（

min=0）

r=0的交变应力,称为脉动循环

（fluctuatingcycle）交变应力

时的交变应力,称为非对称循环（unsymmetricalreversedcycle）交变应力.O

max

min=0

t2.非对称循环

（Unsymmetricalreversedcycle）第15页，课件共20页，创作于2023年2月（2）r>0为同号应力循环;r<0为异号应力循环.（3）构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即

max=

min

.

若将静应力视作交变应力的一种特例,则其循环特征O

max

min=0t

第16页，课件共20页，创作于2023年2月例题3发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Fmax=58.3kN,最小拉力Fmin=55.8kN,螺纹内径为d=11.5mm,试求

a

,

m

和

r.解:第17页，课件共20页，创作于2023年2月§11–3持久极限(EnduranceLimit)

一、材料持久极限（疲劳极限）

（Endurancelimitorfatiguelimitofamaterials）

二、S－N

曲线（应力-寿命曲线）

（S—N

curveorStress-lifecurve）通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命,以最大应力

max

为纵坐标,疲劳寿命N为横坐标,即可绘出材料在交变应力下的应力—疲劳寿命曲线,即S-N曲线.循环应力只要不超过某个"最大限度",构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏,这个限度值称为"疲劳极限",用

r

表示.第18页，课件共20页，创作于2023年2月当最大应力降低至某一值后,S-N

曲线趋一水平,表示材料可经历无限次应力循环而不发生破坏,相应的最大应力值

max称为材料的疲劳极限或耐劳极限.用

r

表示.

-1

max，1N11

max，2N22N

max三、测定方法(Testmeasures)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.在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限技术上较简单.对于铝合金等有色金属,