第11章交变应力课件

11111 1 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第十一章第十一章 交变应力交变应力11112 2 交变应力循环特征、应力幅度和平均应力交变应力循环特征、应力幅度和平均应力11113 3 持久极限持久极限11114 4 持久极限的影响因素持久极限的影响因素11115 5 对称循环下构件的疲劳强度计算（简介）对称循环下构件的疲劳强度计算（简介）4 4 常见的动荷强度问题常见的动荷强度问题1 1）等加速度直线运动构件的应力计算；）等加速度直线运动构件的应力计算；2 2）简单冲击时的动荷强度问题；）简单冲击时的动荷强度问题；3 3）交变应力下的动荷强度问题；）交变应力下的动荷强度问题；构件中的应力虽与加速度无关，但大小或方向随时间而变化。构件中的应力虽与加速度无关，但大小或方向随时间而变化。6 6 疲劳（破坏）疲劳（破坏）构件在交变应力作用下最大工作应力远远小于屈服强度且无构件在交变应力作用下最大工作应力远远小于屈服强度且无明显塑性变形就发生突然断裂。明显塑性变形就发生突然断裂。4 4）振动问题。）振动问题。5 5 交变应力交变应力一一 交变应力交变应力构件内随时间周期性变化的应力。构件内随时间周期性变化的应力。1 1、火车轮轴火车轮轴11111 1 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效2 2 齿轮根部弯曲应力齿轮根部弯曲应力3 3 梁受电机转子的偏心振动梁受电机转子的偏心振动三三 疲劳失效的疲劳失效的特点特点 1 1）构件长期在交变应力下工作，虽然最大工作应力低于屈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，也会发生突然断裂服极限，也会发生突然断裂；2 2）交变应力作用下的疲劳破坏，需要经过一定数量的应力）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；循环；3 3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性很好）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；的材料，也呈现脆性断裂；4 4）金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒）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。区域。实例实例实例实例 疲劳源疲劳源疲劳源疲劳源二二 疲劳（失效）疲劳（失效）构件在交变应力作用下发生的破坏现象。构件在交变应力作用下发生的破坏现象。疲劳断口及断裂机理疲劳断口及断裂机理四四 疲劳失效的疲劳失效的机理机理 交变应力交变应力突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区晶格位错晶格位错位错聚集位错聚集微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹宏观裂纹扩展，形成断口的光滑区宏观裂纹扩展，形成断口的光滑区112 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力交变应力的循环特征、应力幅和平均应力一一 应力循环应力循环 应力周而复始的变化一次，就称为一个应力循环。应力周而复始的变化一次，就称为一个应力循环。周期：完成一个应力循环所用的时间。周期：完成一个应力循环所用的时间。二二 循环特征（应力比）循环特征（应力比）四四 应力幅应力幅三三 平均应力平均应力1 r=-11 r=-1，对称循环对称循环；r-1r-1，非对称循环非对称循环minmaxaTmtminmaxatm2 2 脉动循环脉动循环或或或或t03 3 特例特例静应力静应力113 持久极限（疲劳极限）持久极限（疲劳极限）一一 材料的疲劳寿命材料的疲劳寿命材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数。材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数。二二 材料的持久极限（疲劳极限）材料的持久极限（疲劳极限）材料经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏时，最大应力值。材料经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏时，最大应力值。三三 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）寿命曲线）N0循环基数r材料持久极限ANA一一对应N(次数)NAArN0持久极限持久极限 是疲劳强度设计的依据。是疲劳强度设计的依据。疲劳试验疲劳试验确定确定u 弯曲疲劳试验设备弯曲疲劳试验设备试验是试验是对称循环对称循环疲劳试样是表面足够光滑的小试样疲劳试样是表面足够光滑的小试样应力寿命曲线应力寿命曲线应力寿命曲线应力寿命曲线(S-NS-N曲线曲线曲线曲线)对于有渐近线的对于有渐近线的对于有渐近线的对于有渐近线的 N N曲线，规定经历曲线，规定经历曲线，规定经历曲线，规定经历101010107 7 7 7次应力循环而不次应力循环而不次应力循环而不次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。钢材钢材钢材钢材对于没有渐近线的对于没有渐近线的对于没有渐近线的对于没有渐近线的 N N曲线，规定经历曲线，规定经历曲线，规定经历曲线，规定经历2 2 2 2 101010107 7 7 7次应力循环次应力循环次应力循环次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。有色金属有色金属有色金属有色金属114 影响影响构件构件持久极限（疲劳极限）的因素持久极限（疲劳极限）的因素二二 构件外形的影响构件外形的影响三三 构件尺寸的影响构件尺寸的影响四四 构件表面质量的影响构件表面质量的影响（应力集中会显著降低构件的疲劳极限）（应力集中会显著降低构件的疲劳极限）（随着试件横截面尺寸的增大，疲劳极限会相应地降低）（随着试件横截面尺寸的增大，疲劳极限会相应地降低）（表面质量越高，疲劳极限越高）（表面质量越高，疲劳极限越高）一一 构件的持久极限（疲劳极限）构件的持久极限（疲劳极限）构件的疲劳极限构件的疲劳极限在材料的疲劳极限的基础上，再考虑在材料的疲劳极限的基础上，再考虑 其它因素的影响。其它因素的影响。1 1 构件外形（应力集中）的影响构件外形（应力集中）的影响 应力集中的影响用应力集中的影响用应力集中的影响用应力集中的影响用有效应力集中系数有效应力集中系数有效应力集中系数有效应力集中系数K K 或或K K 度量度量度量度量(-1)d、(t-1)d 光滑光滑光滑光滑试样的疲劳极限试样的疲劳极限试样的疲劳极限试样的疲劳极限；(-1)k、(t-1)k 有有有有应力集中应力集中应力集中应力集中试样的疲劳极限。试样的疲劳极限。试样的疲劳极限。试样的疲劳极限。可查表，见书可查表，见书3232页页大试样应力的衰减比小试样缓慢，因而大试样横截面上大试样应力的衰减比小试样缓慢，因而大试样横截面上的高应力区比小试样的大，有更多的机会形成疲劳的高应力区比小试样的大，有更多的机会形成疲劳2 2 构件尺寸的影响构件尺寸的影响 d1d2(-1)d光滑光滑光滑光滑大试样大试样大试样大试样的疲劳极限；的疲劳极限；的疲劳极限；的疲劳极限；-1 光滑光滑光滑光滑小试样小试样小试样小试样的疲劳极限。的疲劳极限。的疲劳极限。的疲劳极限。有表可查，见有表可查，见3535页页尺寸系数：表面质量系数表面质量系数3 构件表面质量的影响构件表面质量的影响 30-40)时时f50f40R=5练习：在练习：在3030度角的范围内摆动的圆轴半径为度角的范围内摆动的圆轴半径为R R，设，设Iz已知，已知，受弯矩受弯矩M M（正值）作用，求轴截面上（正值）作用，求轴截面上1 1和和2 2点的循环特性。点的循环特性。解：30zy30301点点2点点对于1点：练习：在练习：在3030度角的范围内摆动的圆轴半径为度角的范围内摆动的圆轴半径为R R，设，设Iz已知，已知，受弯矩受弯矩M M（正值）作用，求轴截面上（正值）作用，求轴截面上1 1和和2 2点的循环特性。点的循环特性。解：30zy30301点点2点点对于2点：例例:阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，1=420MPa，1=250MPa，求弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数。，求弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数。解：解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数查查出出有效应力集中系数有效应力集中系数由表查尺寸系数由表查尺寸系数(30-40)时时f50f40R=52.2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数查查表表有效应力集中系数有效应力集中系数应用直线插值法应用直线插值法查尺寸系数查尺寸系数例例:某减速器第一轴如图示，键槽为端铣加工，某减速器第一轴如图示，键槽为端铣加工，m-mm-m截面上弯矩截面上弯矩M=860NmM=860Nm，材料为，材料为Q235Q235钢，钢，若规定若规定的安全系数的安全系数n=1.4n=1.4，试校核，试校核m-mm-m截面的强度。截面的强度。解：解：1 1）求此截面上的最大正应力及循环特性）求此截面上的最大正应力及循环特性r r：忽略槽的影响，求忽略槽的影响，求W W：2)2)查表求各影响系数查表求各影响系数3 3）应用安全系数法进行强度计算）应用安全系数法进行强度计算查查P351P351表表11.9a11.9a中的曲线中的曲线2 2得得查表查表11.1d=50mm11.1d=50mm时得时得查表查表11.211.2并用插值法求得并用插值法求得