第12章-交变应力.ppt

1、第12章 交变应力,12-1 交变应力与疲劳破坏,12-2 交变应力的循环特性,12-3 材料与构件持久极限,12-4 构件的疲劳强度核算,12-1 交变应力与疲劳破坏,一、疲劳破坏的特点,交变应力：随时间t作周期性循环变化的应力。,A点应力：1-2-3-4-1,12-1 交变应力与疲劳破坏,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、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。,3、破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗

2、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。,粗糙区,光滑区,裂纹源,在交变应力作用下发生的破坏，称为疲劳破坏。,4、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。,疲劳破坏产生的机理：,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。,12-1 交变应力与疲劳破坏,疲劳破坏产生的过程可概括为：,裂纹形成 裂纹扩展 断裂,12-2 交变应力的循环

3、特性,一、 交变应力的循环特征及分类,1、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。,最大应力：,平均应力：,应力幅：,循环特征：,且,以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足,具体描述一种交变应力，可用最大应力 和循环应力r， 或用平均应力 和应力幅值 。,2、几种典型的交变应力情况,不稳定的交变应力： 、 不是常量， 为变化的 （不等幅情况）。,12-2 交变应力的循环特性,稳定的交变应力： 、 均不变， 为常数 （等幅情况）；,（1）对称循环：如受弯的车轴,，,（2）非对称循环 ：,12-2 交变应力的循环特性,（a）脉动循环：如齿轮,（b）静应力

4、：如拉压杆,12-2 交变应力的循环特性,12-3 材料与构件持久极限,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。,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。,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）,一、持久极限的概念与测定方

5、法,12-3 材料与构件持久极限,步骤：,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，并且 或 ，则 即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一根试件的试 验。,12-3 材料与构件持久极限,根据试验结果作疲劳强度-寿命曲线-N图或-lgN图。,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。,12-3 材料与构件持久极限,从图中可以看出：对于钢材， 时，-N曲线会出现一 条水平渐近线， 。这意味着当 时，试件经历 有限次应力循环后会发生疲劳破坏，即疲劳

6、寿命是有限的；当 时，试件经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏，即 疲劳寿命是无限的。此 值称为疲劳极限或持久极限。,12-3 材料与构件持久极限,二、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 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。,K称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数(K1),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (a),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (b),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (c

7、),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (d),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (e),12-3 材料与构件持久极限,图 11-1 (f),12-3 材料与构件持久极限,2、构件尺寸的影响,3、构件表面质量的影响,（1）表面加工影响：表面加工系数,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,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，其持久极限也得到提高。,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。,12-3 材料与构件持久极限,（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。,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,12-3 材料与构件持久极限,在考虑应力集中、尺寸大小和表面状态的综合影响后，构件 在循环特征 r=-1 下的疲劳极限为：,构,12-3 材料与构件持久极限,12-4 构件的疲劳强度核算,构,规