《工程力学》交变应力.ppt

第十一章 交变应力,111 概述112 交变应力的几个名词术语113 材料持久限及其测定,114 构件持久限及其计算115 对称循环下构件的疲劳强度计算,交变应力,116 持久极限曲线,117 非对称循环下的疲劳强度计算,118 提高构件疲劳强度的措施,11 交变应力与疲劳失效,交变应力,一、交变应力：,构件内一点处的应力随时间作周期性变化。,交变应力,火车轮轴简化为一,外伸梁,Pa,t,y,d,o,交变应力,1,2,3,4,1,min,二、疲劳破坏(疲劳失效),4、破坏断口：,材料在交变应力下的失效；,交变应力,特点：,1、破坏时的名义应力值远低于材料在静载作用下的强度指标,破坏方式：,脆性断裂,3、即使塑性很好的材料也无明显的塑性变形；,光滑区粗糙区,2.断裂发生要经过一定的循环次数；,三 疲劳失效案例,案例1、传动轴的疲劳失效,案例2、弹簧的疲劳失效,案例3、飞机的疲劳失效,案例4、推土机前联轴节疲劳失效断口,四、疲劳失效的解释,材料的疲劳失效是在交变应力作用下，材料中裂纹的形成和逐渐发展的结果，而裂纹尖端处于严重的应力集中是导致疲劳失效的主要原因。,具体过程如下：,（1）、原因,由于构件的形状变化、材料不均匀、表面加工质量等原因，使得构件内某局部区域的应力偏高，形成高应力区；,构件长期在交变应力的作用下，在最不利或较弱的晶体，沿最大切应力作用面形成滑移带，滑移带开裂形成微观裂纹；,（2）、微观裂纹形成,分散的微观裂纹经过集结沟通，形成宏观裂纹，此即裂纹萌生的过程。,(3)、宏观裂纹,裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形。,已形成的宏观裂纹在交变应力的作用下逐渐扩展，扩展是缓慢的并且是不连续的。因应力水平的高低时而持续，时而停滞，裂纹两侧时压、时离，似相互研磨，形成光滑区。,（4）、裂纹扩展,随裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，应力增大。当削弱到一定极限时，应力增大到一定程度，在突变的外因（超载、冲击或振动）下突然断裂，断口出现粗糙区。,（5）、脆断,疲劳破坏产生的过程可概括为：,裂纹形成,裂纹扩展,断裂,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,五、研究疲劳失效的意义,2、飞机、车辆、机器发生的事故下，有很大比例是由于零部件的疲劳失效造成的；,1、在交变应力的作用下，即使，构件在无明显的征兆情况下发生脆断；,1956年，英国的两架“彗星式”喷气客机接连在地中海上空爆炸；,疲劳破坏案例1,事故原因：飞机蒙皮发生了裂痕。,裂痕的起因：由于金属疲劳,1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人。,疲劳破坏案例2,原因：螺旋桨转轴发生疲劳失效。,1981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人。,疲劳破坏案例3,原因：横梁在海浪的交变应力作用下，发生疲劳失效。,当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中,1998年6月3日，德国高速列车出轨，死亡102人，重伤88人,疲劳破坏案例4,原因：车轮的轮箍因疲劳裂纹的扩张断裂脱落,疲劳破坏案例5,20世纪60年代，美国“北极星”导弹爆炸,事故原因：燃料筒壁内含有隐形小裂纹,在压力作用下，裂纹扩张，燃料外泄。,1948年，美国“马丁202”运输机在正常航行中坠毁；,历史事故：,1952年，美国“F86”歼击机在空中爆炸；,1959年，F-111战斗轰炸机在俯冲拉起时一个机翼突然断折；,1979年，一架DC-10客机在起飞后不久坠毁。,一连串的飞机事故引起世界各国，特别是航空工业部门的极大关注和震惊,经过对事故的调查分析，这些事故都是由于疲劳失效造成的。,不久以后，C-5A军用运输机翼又出现裂纹；,五 疲劳失效在生活中的应用,1、用钳子剪断钢丝；,2、如何拔除一棵小树？,3、魔术大师的伎俩-小勺变软；,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：,交变应力,112 交变应力的循环特性、应力幅和平均应力,1、交变应力的参数,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 和循环特性r，或用平均应力 和应力幅值。,2、几种典型的交变应力,不等幅交变应力；,等幅交变应力,交变应力,稳定的交变应力：,不稳定的交变应力,均不变，,为常数,不是常量,为变化的,（1）对称循环：,交变应力,火车轮轴横截面边缘上点的弯曲正应力随时间作周期性变化,（2）非对称循环：,（a）脉动循环：,交变应力,（b）静应力：如拉压杆,例1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax=58.3kN，最小拉力Pmin=55.8kN，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a、m 和 r。,材料在交变应力作用下产生疲劳失效时所经历的应 力循环次数，记作 N；,材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳失效的最大应力值，记作。,113 材料持久极限及其测定,疲劳寿命：,与 及 r 有关。,有限寿命疲劳极限或有限寿命持久极限：,一、材料的持久极限,交变应力,材料在疲劳失效之前一定要经历一定次数的应力循环；,最大工作应力越大，,失效之前经历的循环次数越少；,最大工作应力越小，,失效之前经历的循环次数越多；,最大工作应力的临界值，,材料经历无数次应力循环仍不发生疲劳失效?,材料经历无数次应力循环仍不发生疲劳失效的最大应力,材料持久限(疲劳极限),用r 表示。,无限寿命疲劳极限或无限寿命持久极限,材料可以经受“无数次”应力循环而不发生疲劳失效；,当 交变应力的最大值 不超过某一极限值,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 的方法如下：,试件：,机器：,d=7-10mm;,表面磨光的小试件6-10 根。,疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）,二、材料在纯弯、对称循环下持久极限的测定,试验装置,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;,N1为该组试件的平均值,根据试验结果作疲劳强度-寿命曲线-N图。,水平渐近线的纵坐标值,持久极限,三、名义持久极限、持久寿命,循环基数N0：,钢：,有色金属：,疲劳曲线不出现水平渐近线,名义持久极限,NA：,称为A的持久寿命,A称为持久寿命NA的持久极限；,最大应力为A时失效前经历的循环次数,(NA A),交变应力,114 影响构件持久极限的因素,光滑、小试件,构件可以经受“无数次”应力循环而不发生疲劳失效的交变应力最大值。,实验室测得持久极限,对于同种材料制成的形状不同、工作环境不同的具体构件，持久极限会相同吗？,构件的持久极限,与材料的持久极限相比必须考虑一些影响因素；,1、构件外形引起的影响,K称为的有效应力集中系数,应力集中,不仅与外形有关，还与材料有关,应力集中会显著降低构 件的持久极限,构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。,2、构件尺寸的影响,随构件横截面尺寸的增大，持久极限会相应地降低,持久极限是用小试样测定的，实际构件尺寸较大。,3、构件表面质量的影响,构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；,又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；,使得构件的表面存在较严重的应力集中；,构件的表面质量越高，持久极限越高,尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；,综合以上影响系数，使得构件的持久极限低于材料的持久极限,表面腐蚀影响；,表面强化影响；,另外，对于具体的构件还应考虑：,工作环境,工作温度等,阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，1=420MPa，1=250MPa，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。,1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数,由表查尺寸系数,2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数,应用直线插值法,由表查尺寸系数,一、对称循环的疲劳容许应力:,二、对称循环的疲劳强度条件:,115 对称循环下构件疲劳强度计算,对称循环的疲劳强度条件的安全系数法,旋转碳钢轴上，作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表面经过精车，b=600MPa，1=250MPa，规定 n=1.9，试校核轴的强度。,确定危险点应力及循环特征,为对称循环,交变应力,M,M,强度校核,查图表求各影响系数，计算构件持久限。,求K：,求：查图得,查图得,求：表面精车，=0.94,安全,通过疲劳实验可求得不同循环特征下的持久极限曲线；利用曲线，可确定,116 持久极限曲线,建立以平均应力为横轴，应力幅为纵轴的坐标系,OP射线的斜率为,循环特征 r相同的点在同一条射线上；,故射线上存在一个由持久极限r确定的临界点。,对给定的r，如果，,则不会出现疲劳失效;,a+m=r,A,C,B,故C点对应脉动循环的持久极限0。,A点：,故B点对应静载的持久极限b。,考察几个特殊点：,故A点对应对称循环的持久极限-1,B点：,C点：,a+m=r,持久极限曲线,工程中，常用折线ACB代替材料的持久极限曲线。,(0/2，0/2),b,-1,B,A,C,117 非对称循环下的疲劳强度计算,实际构件的持久极限曲线,满足疲劳强度，还应满足强度：,构件正常工作的安全区,消除或改善各类情况下的应力集中以及提高构件表层的强度。,一、减缓应力集中,在构件外观设计上尽量避免开孔或带尖角的槽；,在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆角半径，降低应力集中。,疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。,118 提高构件疲劳强度的措施,减荷槽,退刀槽,采用坡口焊接,二、提高表面质量,三、改善表层强度,构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；,又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；,尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；,使用中要注意维护,防止锈蚀,常常是最大拉应力引起构件的疲劳失效;,在构件的表面形成一个预压应力层或改善构件表层的材质,滚压、喷丸,渗入微量元素,可采用热处理、化学处理和机械的方法强化表层。,避免使构件表面受到机械损伤或化学损伤,1、构件在临近疲劳断裂时，其内部：。,A：无应力集中；B：无明显的塑性变形；C：不存在裂纹；D：不存在应力；,B,2、塑性较好的材料在交变应力的作用下，当危险点的最大应力低于屈服极限时：,A：既不可能有明显的塑性变形，也不可能发生断裂；B：虽可能有明显的塑性变形，但不可能发生断裂；C：不仅可能有明显的塑性变形，而且可能发生断裂；D：不可能有明显的塑性变形，但可能发生断裂；,（B）,返回到本章目录,