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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,10.4 交变应力,10.4.1 交变应力,火车轮轴上的力,F,表示来自车箱的力，大小和方向基本不变。即弯矩基本不变。,F,F,t,z,A,横截面上点,A,到中性轴的距离却是随时间,t,变化的。,假设轴以匀角速度,转动。,A,的弯曲正应力为：,是随时间,t,按正弦曲线变化的,交变应力：随时间作周期性变化的应力。,10.4 交变应力10.4.1 交变应力火车轮轴上,1、金属材料在交变应力作用下的破坏有以下特点：,（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度极限值，但经历时间长。,（2）无论是脆性还是塑性材料，交变应力作用下均表现为脆性断裂，无明显塑性变形。,（3）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分。,裂纹萌生,裂纹扩展,扩展到临界尺寸瞬时断裂,2、疲劳过程一般分三个阶段：,粗糙区,裂纹源,光滑区,1、金属材料在交变应力作用下的破坏有以下特点：（1）交变应力,交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异，故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同。,下图为交变应力下具有代表性的 正应力时间曲线。,交变应力的循环特征、应力幅和平均应力,基本参数,应力每重复变化一次，称为一个应力循环。,r,表示交变应力的 循环特征或应力比,o,一个应力循环,max,min,交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异，,在拉、压或弯曲交变应力下,在扭转交变应力下,o,一个应力循环,max,min,最大应力和最小应力的差值，称为交变应力的,应力幅,a,。,最大应力 与最小应力的平均值叫,平均应力，,以,m,表示。,在拉、压或弯曲交变应力下在扭转交变应力下o一个应力循环ma,注意,最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 绝对值较大者为最大应力，并规定它为正号，而与正号应力反向的最小应力则为负号。,1、在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号,（,min,=-,max,或,min,=-,max,）,r,=-1 时的交变应力，称为,对称循环 交变应力。,2、时的交变应力，称为,非对称循环 交变应力,。,（1）,若非对称循环交变应力,中的最小应力等于零（,min,）,r=0 的交变应力，称为,脉动循环,交变应力。,注意最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 绝对值较大者为,o,max,min,=0,脉动循环,（3）构件在静应力下，各点处的应力保持恒定，即,max,=,min,。,o,max,min,对称循环,（2）r 0 为,同号应力循环,；r n,所以疲劳强度是足够的.,（4）静强度校核 因为,r,0.20，所以需要校核静强度,最大应力对屈服极限的工作安全因数为,所以静强度也是满足的.,（3）疲劳强度校核 规定的安全因数为n2.,10.5.3 弯扭组合交变应力的强度计算,弯扭组合对称循环下的强度条件,其中,是单一弯曲对称循环下的安全因数,是单一扭转对称循环下的安全因数,10.5.3 弯扭组合交变应力的强度计算 弯扭组合对称循环,例题7 阶梯轴的尺寸如图所示.材料为合金钢,s,b,=900MPa,s,-1,=410MPa,t,-1,=240M,Pa.作用于轴上的弯矩变化于-1000N,m到+1000,Nm之间,扭矩变化于0到1500Nm之间.若规定安全因数,n,=2,试校核轴的疲劳强度.,R,5,T,T,M,M,50,60,0.4,0.4,解:,（1）计算轴的工作应力.,首先计算交变弯曲正应力及其循环特征,例题7 阶梯轴的尺寸如图所示.材料为合金钢,sb=900,其次计算交变扭转切应力及其循环特征,其次计算交变扭转切应力及其循环特征,（2）确定各种因数,根据,由图11.8b查得,由图11.8d查得,由于名义应力,s,max,是按照轴直径等于50mm计算的,所以尺寸因数也应按照轴直径等于50mm来确定,由表11.1查得,由表11.2查得,对合金钢取,（2）确定各种因数根据由图11.8b查得由图11.8d查得,（3）计算弯曲工作安全因数,n,s,和扭转工作安全因数,n,t,（4）计算弯扭组合交变应力下,轴的工作安全因数,n,st,所以满足疲劳强度条件,（3）计算弯曲工作安全因数ns和扭转工作安全因数nt（4）计,10.6,提高构件抗冲击和疲劳的措施,10.6.1 提高抗冲击的措施,提高构件抗冲击能力的措施：前面的分析表明，冲击时构件中动应力的大小与动荷载系数有关，所以，要提高构件的抗冲击能力，主要从降低冲击动荷系数着手。,从动荷系数的计算公式(10-4)可知，被冲击构件的静位移愈大，动荷系数愈小。这是因为产生较大静位移的构件，其刚度较小，能吸收较多的冲击能量，从而增大构件的缓冲能力。所以，减小构件刚度可以达到降低冲击动应力的目的。但是，如果采用缩减截面尺寸的方法来减小构件刚度，则又会使应力增大，其结果未必能达到降低冲击动应力的目的。因此，工程上往往是在受冲击构件上增设缓冲装置，如缓冲弹簧、橡胶垫、弹性支座等。这样既能减小整体刚度，又不增大构件中的应力。,10.6 提高构件抗冲击和疲劳的措施10.6.1 提高,10.6.2 提高疲劳强度的措施,提高构件的疲劳强度，就是提高构件各部位的许用应力范围。由式(11-12)画出各类构件和连接的-,N,曲线，比较图中各类别的-,N,曲线可知，类别号越低，疲劳强度越高。为了提高构件的疲劳强度，在设计和制造构件时，应尽量选择类别号较低的构件和连接的设计形式和制造工艺。,因为疲劳裂纹大多发生在有应力集中的部位、焊缝及构件表面，所以，一般来说，提高构件疲劳强度应从减缓应力集中、提高加工质量等方面入手:,(1),合理设计构件形状，减缓应力集中,。构件上应避免出现有内角的孔和带尖角的槽；在截面变化处，应使用较大的过渡圆角或斜坡；在角焊缝处，应采用坡口焊接。,10.6.2 提高疲劳强度的措施提高构件的疲劳强度，就是提,(2),选择合适的焊接工艺，提高焊接质量,。要保证较高的焊接质量，最好的方法是采用自动焊接设备。,(3),提高构件表面质量,。制造中，应尽量降低构件表面的粗糙度；使用中，应尽量避免构件表面发生机械损伤和化学损伤(如腐蚀、锈蚀等)。,(4),增加表层强度,。适当地进行表层强化处理，可以显著提高构件的疲劳强度。如采用高频淬火热处理方法，渗碳、氮化等化学处理方法，滚压、喷丸等机械处理方法。这些方法在机械零件制造中应用较多。,(5),采用止裂措施,。当构件上已经出现了宏观裂纹后，可以通过在裂尖钻孔、热熔等措施，减缓或终止裂纹扩展，提高构件的疲劳强度。,(2)选择合适的焊接工艺，提高焊接质量。要保证较高的焊接质,本章结束,本章结束,
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