交变应力与疲劳失效交变应力的循环特征应力.ppt
11-1 交变应力与疲劳失效11-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力11-3 持久极限11-4 影响持久极限的因素11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算11-6 持久极限曲线11-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算11-10 提高构件疲劳强度的措施,11-1 交变应力与疲劳失效,交变应力：构件内随时间作周期性变化的应力。,折断一根铁丝的启示,疲劳与疲劳破坏：结构的构件在交变应力的作用下发生的破坏现象，称为疲劳破坏，简称疲劳,齿轮啮合时齿根A点的弯曲正应力 随时间作周期性变化。,车轴每转一周，某点处的材料即经历一次由拉伸到压缩的应力循环。,机车车轴,电机转子偏心惯性力引起强迫振动梁上的危险点正应力随时间作周期性变化。,表示电机的重力W以静载方式作用于梁上引起的静应力，最大应力和最小应力分别表示梁在最大和最小位移时的应力。,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。,疲劳失效的特点,构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征：1）破坏时的最大应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应力；（必要性）2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历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，即使塑性材料，也将呈现“突然”的脆性断裂；（危害性）4）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。（判断依据）,疲劳失效机理,疲劳源,裂纹扩展,光滑区,粗糙区,脆断,金属材料裂纹,1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。,疲劳破坏案例1,1981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中,疲劳破坏案例2,1998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏。,疲劳破坏案例3,11-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力,应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。完成一个应力循环所需的时间T，称为一个周期。,1.对称循环,如:机车车轴,2.脉动循环,3.静载,11-3 持久极限,试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应力，直至断裂破坏。,记录每根试件中的最大应力（名义应力，即疲劳强度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳寿命），即可得SN应力寿命曲线。,应力寿命曲线，也称SN曲线。,S-N曲线,为对称循环时材料的疲劳极限,材料的疲劳极限,有色金属及其合金的应力寿命曲线无明显趋于水平的直线部分。通常规定N0=(5-10)107作为循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。,材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：,弯曲：,拉压：,扭转：,11-4 影响持久极限的因素,1.构件外形的影响2.构件尺寸的影响3.构件表面质量的影响,构件外形的影响 构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。应力集中区易引发疲劳裂纹，使疲劳极限显著降低。,用有效应力集中因数 或 描述外形突变的影响：,或,其中：或 是无应力集中的光滑试件的疲劳极限，或 是有外形突变试件的疲劳极限。,且,越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强度 越高，应力集中队疲劳极限的影响愈显著。,构件尺寸的影响,构件尺寸越大，疲劳极限越低。如受扭转大、小二圆截面试件，如二者的最大剪应力相同，则大试件横截面上的高应力区比小试件的大。即大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，故引发疲劳裂纹的机会也多。,用尺寸因数 或 表示。,或,其中：为光滑小试件 为光滑大试件,构件表面质量的影响,构件上的最大应力常发生于表层，疲劳裂纹也多生成于表层。故构件表面的加工缺陷（划痕、擦伤）等将引起应力集中，降低疲劳极限。,用表面质量因数表示,其中：为表面磨光试件的疲劳极限 为用其它方法加工的构件疲劳极限,表面加工质量愈低，愈小，降低愈多。一般，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1的 值。,综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为：,或,其中：，是光滑小试件的疲劳极限。,疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故提高构件疲劳极限的措施有：（1）减缓应力集中，设计构件外形时，避免出现方形或带有尖角的孔和槽，在截面突变处采用足够大的过渡圆角，（如阶梯轴轴肩设置减荷槽 或退刀槽；（2）降低表面粗糙度，对表面进行精加工，避免表面有机械损伤和化学损伤（如腐蚀）；（3）增加表面强度，通过高频淬火、渗碳、渗氮或液压喷丸进行处理。,11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算,对称循环交变应力下，构件的疲劳强度条件为：,其中：是构件危险点的最大工作应力；n是疲劳安全系数。,或表示成：,同理，对扭转交变应力有：,其中：，。,例4-1 机车车轴,P=80kN,45钢，n=1.5,试校核I截面疲劳强度。,解：,该截面疲劳强度足够。,11-6 持久极限曲线,直线AC的斜率：,直线AC的方程：,11-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算,直线AC：,那么直线 的纵坐标：,构件工作时，若危险点的应力循环由点 表示,构件工作安全系数,构件工作安全系数,对于塑性材料制成的构件,除应满足疲劳强度外,危险点的应力不应超过屈服极限.,疲劳强度计算,一般强度计算,其中：,例4-3 试校轴的疲劳强度,解：,11-10 提高构件疲劳强度的措施,一、减缓应力集中,二、减小表面粗糙度,三、增加表面强度,
