CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY,第11章 交 变 应 力,第11章,交变应力,交变应力与疲劳失效,交变应力的循环特征，应力幅和平均应力,持久极限,影响持久极限的因素,对称循环下构件的疲劳强度计算,持久极限曲线,不对称循环下构件的疲劳强度计算,弯扭组合交变应力的强度计算,变幅交变应力,提高构件疲劳强度的措施,第11章 交变应力 交变应力与疲劳失效,11-1,交变应力与疲劳失效,火车轮轴,1 交变应力,11-1 交变应力与疲劳失效 火车轮轴1 交变应力,应力随时间作周期性变化，这种应力叫做,交变应力,。,应力随时间作周期性变化，这种应力叫做交变应力。,齿轮根部,齿轮根部,电机偏心转子引起梁的振动,电机偏心转子引起梁的振动,2 疲劳失效,构件在交变应力作用下发生的破坏现象，称,为,疲劳失效,，简称,疲劳,。,自行车停车支架弹簧,2 疲劳失效 构件在交变应力作用下发生的破坏现象，称 自,3 疲劳失效的,特点,构件长期在交变应力下工作，虽然最大工作应力 低于抗拉（压）强度极限，有的甚至低于材料的屈 服极限，也会发生突然断裂；,交变应力作用下的疲劳破坏，需要经过一定数量的应力循环，其循环次数与应力的大小有关，应力愈大，循环次数愈少。,构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性很好的材料，也呈现脆性断裂；,金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。,3 疲劳失效的特点 构件长期在交变应力下工作，虽然最大,金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域 与颗粒区域。,光滑区域,颗粒状区域,金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域 与颗粒区,4 疲劳失效的机理,交变应力,突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区,晶格位错,位错聚集,微观裂纹,滑移带,宏观裂纹,宏观裂纹扩展，形成断口的光滑区,4 疲劳失效的机理 交变应力突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙,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。,用手折断铁丝，弯折一次一般不断，但反复来回弯,11-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力,平均应力,循环特征,应力幅度,11-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力平均应力循,对称循环,非对称循环,对称循环 非对称循环,脉动循环,交变应力的特例,静应力,对于,静应力，有：,脉动循环 交变应力的特例 静应力对于静应力，有：,内容回顾,1 交变应力,交变应力,构件内随时间作周期性变化的应力,。,2 疲劳失效,构件在交变应力作用下发生的破坏现象，称为,疲劳失效,，简称,疲劳,。,3 疲劳失效的特点,1）,构件长期在交变应力下工作，虽然最大工作应力低于屈服极限，也会发生突然断裂,；,2）交变应力作用下的疲劳破坏，需要经过一定数量的应力循环；,3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性很好的材料，也呈现脆性断裂；,4）金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。,内容回顾1 交变应力 交变应力 构件内随时间作周期性变,4,交变应力的循环特征,应力幅和平均应力,应力循环,循环特征(应力比),平均应力,应力幅值,对称循环,max,与,min,大小相等，符号相反的应力,循环。,除对称循环以外的循环，都称为不对称循环。,4 交变应力的循环特征,应力幅和平均应力 应力循环 循环,脉动循环,交变应力的特例,静应力,对于,静应力，有：,脉动循环 交变应力的特例 静应力对于静应力，有：,11-3 持 久 极 限,反之,降低 ,便可使破坏前经历的循环次数增多。,这一临界值称为材料的持久极限或疲劳极限。用 表示。,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；,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，,是疲劳强度设计的依据。,持久极限,11-3 持 久 极 限,持久极限由疲劳试验确定,疲劳试样（光滑小试样）,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。,持久极限由疲劳试验确定 疲劳试样（光滑小试样）,弯曲疲劳试验设备,这样做的试验是对称循环的情况。,应力,寿命曲线（,S,-,N,曲线）,弯曲疲劳试验设备 这样做的试验是对称循环的情况。应力,应力,寿命曲线（,S,-,N,曲线）,N,在某一,应力水平,下,疲劳失效时,的循环次数，,也称为,寿命,。,对称循环时,的持久极限,用,-1,表示。,条件持久极限,对钢材，循环次数达到,10,7,时的持久极限。,1,S,-,N,曲线,-1,2,应力 寿命曲线（S-N曲线）N 在某一对称循环时,条件持久极限,对钢材，为循环,次数达到 10,7,时,的持久极限。,对有色金属等没,有,水平渐进线,的,材料，为循环次数达到10,8,时的持久极限。,1,S,-,N,曲线,-1,2,条件持久极限对钢材，为循环对有色金属等没1S-N曲线-1,不同循环特征的,S,-,N,曲线,不同循环特征的 S-N 曲线,11-4 影响持久极限的因素,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因数表示：,光滑试件的持久极限,有应力集中的试件的持久极限,11-4 影响持久极限的因素一、构件外形的影响光滑试件的,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,两个受扭轴，一大一小。大试样横截面上的高应力区比,小试样的大，形成疲劳裂纹的机会也就更多。,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，用尺寸因数表示,下表给出了在弯、扭的对称应力循环时的尺寸因数。,光滑大试件的持久极限,光滑小试件的持久极限,尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸因数表示下表给出了在弯、扭的,第11章交变应力课件,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。,其他加工情况的试件的持久极限,表面磨光的试件的持久极限,表面质量对持久极限的影响用表面,质量因数 表示：,三、构件表面质量的影响 实际构件表面的加工质量,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,为有效应力集中系数,为尺寸因数,为表面质量因数,为表面磨光的光滑小试件的持久极限,综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的,11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算,上节已求得,构件的许用应力,构件的强度条件,11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算上节已求得构件的许,11-10 提高构件疲劳强度的措施,1 减缓应力集中,11-10 提高构件疲劳强度的措施1 减缓应力集中,2 降低表面粗糙度,特别是对高强度钢，只有提高表面光洁度，,才能发挥它的高强度性能。,3 增加表层强度,热处理方法,高频淬火,化学处理方法,渗碳，氮化,机械方法,喷丸，滚压,2 降低表面粗糙度 特别是对高强度钢，只有提,本章小结,1 交变应力,交变应力,构件内随时间作周期性变化的应力,。,2 疲劳失效,构件在交变应力作用下发生的破坏现象，称为,疲劳失效,，简称,疲劳,。,3 疲劳失效的特点,1）,构件长期在交变应力下工作，虽然最大工作应力低于屈服极限，也会发生突然断裂,；,2）交变应力作用下的疲劳破坏，需要经过一定数量的应力循环；,3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性很好的材料，也呈现脆性断裂；,4）金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。,本章小结1 交变应力 交变应力 构件内随时间作周期性变,4,交变应力的循环特征,应力幅和平均应力,应力循环,循环特征(应力比),平均应力,应力幅值,对称循环,max,与,min,大小相等，符号相反的应力,循环。,除对称循环以外的循环，都称为不对称循环。,4 交变应力的循环特征,应力幅和平均应力 应力循环 循环,脉动循环,交变应力的特例,静应力,对于,静应力，有：,脉动循环 交变应力的特例 静应力对于静应力，有：,5 持久极限,是疲劳强度设计的依据。,持久极限,持久极限由疲劳试验确定,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,。,影响持久极限的因素,构件外形的影响,构件尺寸的影响,构件表面质量的影响,5 持久极限是疲劳强度设计的依据。持久极限 持久极,降低表面粗糙度,特别是对高强度钢，只有提高表面光洁度，才能发挥它的高强度性能。,增加表层强度,热处理方法,高频淬火,化学处理方法,渗碳，氮化,机械方法,喷丸，滚压,6 提高构件疲劳强度的措施,减缓应力集中,降低表面粗糙度 特别是对高强度钢，只有提高,11-2 11-6,作业:,11-2 11-6作业:,