交变应力和疲劳强度.ppt

1、,强度问题分为静（应力）强度和变应力（疲劳）强度两个范畴。 一、静强度 通常认为：在机械零件的整个工作寿命期间内，应力性质、大小和方向不变（或变化次数小于103）的零件，均按静应力强度进行设计。 静应力作用下零件的失效，如断裂或塑性变形等是瞬时出现的，即当零件中的应力超过了材料的强度极限或屈服极限时就发生失效，具有“突然性”。,第八节 交变应力和疲劳强度,二、交变应力与疲劳失效,1、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.,2、变应力产生的原因,1.载荷做周期性变化,2.载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化,3、变应力及其基本变化规律,五个变应力参数：,O,

2、t,max,min,m,a,max 最大应力 min 最小应力 m 平均应力 a 应力幅 r 变应力循环特性,可按五个变应力参数的不同将变应力分为：,变应力： 在零件的整个工作寿命期间内，应力性质、大小和方向随时间而变，可用应力循环线图表示：-t,对称循环变应力,m= 0,r = -1,min= 0,r = 0,脉动循环变应力,非对称循环变应力,-1 r 0,0 r 1,t,O,r+1 静应力,变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力；,变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。,此外，还有随机变应力。,可看作循环变应力的特例！,m=max= min,5、疲劳破坏和疲劳强度 1) 疲劳

3、破坏 材料在长期作用下变应力的破坏即疲劳破坏，疲劳破坏有一个发生和发展的过程。 失效机理是：当多次重复变化的应力超过了零件材料的疲劳极限时，首先在该部位出现初始微细裂纹，随后裂纹逐渐蔓延扩展，使零件断面的受力有效面积逐渐减小，达到一定程度后，最终导致断裂。 断口特征：,表面光滑区和粗粒状区。,Fn,疲劳破坏,材料在交变应力作用下的破坏习惯上称为疲劳破坏,（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,材

4、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.,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.,（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

5、断裂.,疲劳过程一般分三个阶段,2) 疲劳曲线和零件疲劳极限应力的确定(1）材料的疲劳曲线,N 曲线(称为材料的疲劳曲线),材料的疲劳实验:在标准试件上加上一系列特定循环特性 (=-1或=0)的等幅变应力,并以循环的最大应力表示材料的疲劳极限应力: ,经过一段时间后试件将会发生疲劳破坏,并记下疲劳破坏前一系列应力的循环次数N,作坐标如下左图示:,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.,测定方法,将材料加工成最小直径为 710mm,表面磨光的试件,每组试验包括 6 10根试件

6、.,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, S-N 曲线通常没有明显的水平部分,通常规定一个循环基数，一般规定疲劳寿命N0 = 108时的最大应力值为“条件”疲劳极限 .,第二根试件,第一根试件,N1,N2,略小于,r表示循环特征,如-1 表示对称循环材料的疲劳极限.,r,O,N,C,D,ND,rN,r,rN,r或r:,是无限寿命疲劳极限又称为疲劳持久极限应力,是对应于应力循环次数为N时的疲劳极限应力,ND或N0:,分界转折点,当材料所受的max r:对应于水平直线段 , N ND ,为无限寿命区; 当材料所受的maxr:对应于曲线CD段, N ND ,为 有限寿命区。,有限寿命（为N）时的疲劳极限:,m 随应力状态或材料等的不同而变的指数,N,r, 循环基数,ND =10625107,N0,KN-为寿命影响系数,（2）疲劳强度,材料的性能(材料牌号及其热处理) 变应力的特性(载荷性质) 零件在预定使用期限内应力的循环次数(寿命) 另外，实践表明：变应力下工作的零件，几何因素的变化（即零件的结构）、绝对尺寸的大小、表面加工质量及强化因素等对零件的强度也都有较大的影响。 因此，综合考虑上述