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文檔簡介
1、第十二章 交變應力 第十二章 交變應力12-1 12-1 交變應力與疲勞失效交變應力與疲勞失效12-2 12-2 交變應力的循環特征、應力幅和平均應力交變應力的循環特征、應力幅和平均應力12-3 12-3 持久極限持久極限12-4 12-4 影響持久極限的因素影響持久極限的因素12-5 12-5 對稱循環下構件的疲勞強度計算對稱循環下構件的疲勞強度計算12-6 12-6 持久極限曲線持久極限曲線12-7 12-7 不對稱循環下構件的疲勞強度計算不對稱循環下構件的疲勞強度計算12-8 12-8 提高構件疲勞強度的措施提高構件疲勞強度的措施12-1 12-1 交變應力與疲勞失效交變應力與疲勞失效交
2、變應力交變應力:構件內隨時間作構件內隨時間作周期性變化的應力周期性變化的應力。 折斷一根鐵絲的啟示折斷一根鐵絲的啟示疲勞疲勞與與疲勞破壞疲勞破壞:結構的構件在交變應力的作用下發生的結構的構件在交變應力的作用下發生的破壞現象,稱為疲勞破壞,簡稱疲勞破壞現象,稱為疲勞破壞,簡稱疲勞齒輪嚙合時齒根齒輪嚙合時齒根A A點的彎曲正應力點的彎曲正應力 隨時間作周期性變化。隨時間作周期性變化。 第十二章 交變應力車軸每轉一周,某點處的材料即經歷一次由拉伸到壓縮的車軸每轉一周,某點處的材料即經歷一次由拉伸到壓縮的應力循環。應力循環。機車車軸機車車軸t循環一次maxmin12341第十二章 交變應力電機轉子偏心
3、慣性力引起強迫振動梁上的危險點正電機轉子偏心慣性力引起強迫振動梁上的危險點正應力隨時間作周期性變化。應力隨時間作周期性變化。 st 表示電機的重力表示電機的重力W W以靜載方式作用于梁上引起以靜載方式作用于梁上引起的靜應力,最大應力和最小應力分別表示梁在最大和的靜應力,最大應力和最小應力分別表示梁在最大和最小位移時的應力。最小位移時的應力。st第十二章 交變應力 因疲勞破壞是在沒有明顯征兆的情況下突因疲勞破壞是在沒有明顯征兆的情況下突然發生的,極易造成嚴重事故。據統計,機械然發生的,極易造成嚴重事故。據統計,機械零件,尤其是高速運轉的構件的破壞,大部分零件,尤其是高速運轉的構件的破壞,大部分屬
4、于疲勞破壞。屬于疲勞破壞。第十二章 交變應力疲勞失效的特點疲勞失效的特點構件在交變應力作用下失效時,具有如下特征:構件在交變應力作用下失效時,具有如下特征:1)破壞時的)破壞時的最大應力最大應力值往往低于材料在靜載作用下的值往往低于材料在靜載作用下的屈服應屈服應力力;(;(必要性)2)構件在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的)構件在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的應力應力循環循環;3)構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆,即使塑性材料,)構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆,即使塑性材料,也將呈現也將呈現“突然突然”的脆性斷裂;(的脆性斷裂;(危害性)4)金屬材料疲勞斷裂斷口上,有明
5、顯的光滑區域與顆粒區域。)金屬材料疲勞斷裂斷口上,有明顯的光滑區域與顆粒區域。(判斷依據)第十二章 交變應力疲勞失效機理疲勞失效機理疲勞源疲勞源裂紋擴展裂紋擴展光滑區光滑區粗糙區粗糙區脆斷脆斷金屬材料裂紋金屬材料裂紋第十二章 交變應力19791979年,美國年,美國DE-10DE-10型飛機失事,死亡型飛機失事,死亡270270人,原因螺旋槳人,原因螺旋槳轉軸發生疲勞破壞,該型號飛機停飛一年,全面檢修,是轉軸發生疲勞破壞,該型號飛機停飛一年,全面檢修,是設計問題。設計問題。疲勞破壞案例1第十二章 交變應力19811981年初,歐洲北海油田年初,歐洲北海油田“基爾蘭基爾蘭”號平臺覆滅,死亡號平臺
6、覆滅,死亡123123人,原因疲勞破壞,橫梁在海浪的交變應力作用下,人,原因疲勞破壞,橫梁在海浪的交變應力作用下,橫梁承孔邊裂縫,當時大風掀起橫梁承孔邊裂縫,當時大風掀起7 7米巨浪,米巨浪,1010510105噸的浮臺噸的浮臺沉沒于大海之中沉沒于大海之中疲勞破壞案例2第十二章 交變應力19981998年年5 5月,德國高速列車出軌,原因列車大軸發生疲勞月,德國高速列車出軌,原因列車大軸發生疲勞破壞。破壞。疲勞破壞案例3第十二章 交變應力12-2 12-2 交變應力的循環特征、應力幅和平交變應力的循環特征、應力幅和平 均應力均應力to應力循環:應力循環:應力每重復變化一次,稱為一個應力每重復變
7、化一次,稱為一個應力循環應力循環。完成一個應力循環所需的時間完成一個應力循環所需的時間T ,稱為一個,稱為一個周期周期。第十二章 交變應力mtmaxminoaa最大應力:max最小應力:min平均應力:a應力幅度:m第十二章 交變應力maxmin r循環特征: minmax21 m minmax21 aam maxam minmtmaxminoaa第十二章 交變應力 021minmax m maxminmax21 a1maxmin rt循環一次maxmin123411.1.對稱循環對稱循環如如:機車車軸機車車軸第十二章 交變應力2.2.脈動循環脈動循環0min 0maxminr maxminm
8、ax2121 m maxminmax2121 atO第十二章 交變應力3.3.靜載靜載1maxmin r maxminmax21 m 021minmax atOmax第十二章 交變應力12-3 持久極限持久極限 試件分為若干組,最大應力值由高到底,以電動機帶試件分為若干組,最大應力值由高到底,以電動機帶動試樣旋轉,讓每組試件經歷對稱循環的交變應力,直至動試樣旋轉,讓每組試件經歷對稱循環的交變應力,直至斷裂破壞。斷裂破壞。 記錄每根試件中的最大應力記錄每根試件中的最大應力 (名義應力,即疲勞強名義應力,即疲勞強度度)及發生破壞時的)及發生破壞時的應力循環次數應力循環次數(又稱疲勞(又稱疲勞壽命壽
9、命),),即可得即可得SN應力壽命曲線應力壽命曲線。第十二章 交變應力1max,2max,1N2NONmax112應力應力壽命曲線壽命曲線,也稱,也稱SN曲線曲線。S-N曲線 1為對稱循環時材料的疲勞極限為對稱循環時材料的疲勞極限第十二章 交變應力0 .0r6 .0r3 .0r1r0NACEDmaxNOr材料的疲勞極限 有色金屬及其合金的應力壽命曲線無明顯趨于水平的直線部分。通常規定N0=(5-10)107作為循環基數,所對應的應力為該材料的條件疲勞極限。第十二章 交變應力材料的疲勞極限與強度極限的近似關系:彎曲:拉壓:扭轉:1017 . 14 . 0bb28. 01b23. 01第十二章 交
10、變應力12-4 影響持久極限的因素影響持久極限的因素1.1.構件外形的影響構件外形的影響2.2.構件尺寸的影響構件尺寸的影響3.3.構件表面質量的影響構件表面質量的影響第十二章 交變應力構件外形的影響構件外形的影響 構件外形的突變(槽、孔、缺口、軸肩等)引起構件外形的突變(槽、孔、缺口、軸肩等)引起應力應力集中集中。應力集中區易引發疲勞裂紋,使疲勞極限顯著降低。應力集中區易引發疲勞裂紋,使疲勞極限顯著降低。 用有效應力集中因數用有效應力集中因數 或或 描述外形突變的影響:描述外形突變的影響:KK其中:其中: 或或 是無應力集中的光滑試件的疲勞極是無應力集中的光滑試件的疲勞極限,限, 或或 是有
11、外形突變試件的疲勞極限。是有外形突變試件的疲勞極限。d1d1K1K1KdK11KdK11或或且且1, 1KK第十二章 交變應力 越小,則有效應力集中因數越大;材料的抗拉強越小,則有效應力集中因數越大;材料的抗拉強度度 越高,應力集中隊疲勞極限的影響愈顯著。越高,應力集中隊疲勞極限的影響愈顯著。dr /b第十二章 交變應力構件尺寸的影響構件尺寸的影響 構件尺寸越大,疲勞極限越構件尺寸越大,疲勞極限越低。如受扭轉大、小二圓截面試低。如受扭轉大、小二圓截面試件,如二者的最大剪應力相同,件,如二者的最大剪應力相同,則大試件橫截面上的高應力區比則大試件橫截面上的高應力區比小試件的大。即大試件中處于高小試
12、件的大。即大試件中處于高應力狀態的晶粒比小試件的多,應力狀態的晶粒比小試件的多,故引發疲勞裂紋的機會也多。故引發疲勞裂紋的機會也多。 用尺寸因數用尺寸因數 或或 表示表示。11d或或11d11,其中:其中: 為光滑小試件為光滑小試件 為光滑大試件為光滑大試件dd11,且且1, 1 ,d 越大,越大, 越小,越小, 愈小。愈小。r第十二章 交變應力構件表面質量的影響構件表面質量的影響 構件上的最大應力常發生于表層,疲勞裂紋也多生成于構件上的最大應力常發生于表層,疲勞裂紋也多生成于表層。故構件表面的加工缺陷(劃痕、擦傷)等將引起表層。故構件表面的加工缺陷(劃痕、擦傷)等將引起應力應力集中集中,降低
13、疲勞極限。,降低疲勞極限。 用表面質量因數表示用表面質量因數表示 d11d1其中:其中: 為為表面磨光試件的疲勞極限表面磨光試件的疲勞極限 為用其它方法加工的構件疲勞極限為用其它方法加工的構件疲勞極限 1第十二章 交變應力 表面加工質量愈低,表面加工質量愈低, 愈小,愈小, 降低愈多。降低愈多。 一一般般 ,但可通過對構件表面作強化處理而得到大于,但可通過對構件表面作強化處理而得到大于1 1的的 值。值。r1 綜合上述三種因素,綜合上述三種因素,對稱循環下構件的疲勞極限為對稱循環下構件的疲勞極限為:101K或或101K其中:其中: , 是光滑小試件的疲勞極限。是光滑小試件的疲勞極限。11第十二
14、章 交變應力 疲勞裂紋主要形成于構件表面和應力集中部位,故疲勞裂紋主要形成于構件表面和應力集中部位,故提高提高構件疲勞極限的措施有:構件疲勞極限的措施有: (1)減緩應力集中,)減緩應力集中,設計構件外形時,設計構件外形時,避免出現方形或帶有避免出現方形或帶有尖角的孔和槽,尖角的孔和槽,在截面突變處采用足夠大的過渡圓角,(如在截面突變處采用足夠大的過渡圓角,(如階梯軸軸肩階梯軸軸肩設置減荷槽設置減荷槽 或或退刀槽退刀槽 ;(2)降低表面粗糙度,對表面進行精加工,避免表面有機械)降低表面粗糙度,對表面進行精加工,避免表面有機械損傷和化學損傷(如腐蝕);損傷和化學損傷(如腐蝕);(3)增加表面強度
15、,通過)增加表面強度,通過高頻高頻淬火、滲碳、滲氮或液壓噴丸淬火、滲碳、滲氮或液壓噴丸進行處理。進行處理。 第十二章 交變應力12-5 12-5 對稱循環下構件的疲勞強度計算對稱循環下構件的疲勞強度計算對稱循環交變應力下,構件的疲勞強度條件為:對稱循環交變應力下,構件的疲勞強度條件為:n011max其中:其中: 是構件危險點的最大工作應力;是構件危險點的最大工作應力; n n是疲勞安全系數。是疲勞安全系數。 maxnkKnmax1max1max01或表示成或表示成:nknmax1同理,對扭轉交變應力有:同理,對扭轉交變應力有:第十二章 交變應力其中:其中: , 。 機車車軸,P=80kN,45
16、鋼,n=1.5,試校核I截面疲勞強度。MPab500MPa2001例題例題 12-1第十二章 交變應力解:nKnmax15 . 1nMPa2001,m10696. 132343dW,083. 012010dr167. 1120140dD54. 1KN.m,8400105. 0FM第十二章 交變應力5 . 1713. 19 .4596. 068. 054. 1200max1nKn該截面疲勞強度足夠。MPa,5 .49maxWM,68. 096. 0第十二章 交變應力12-6 12-6 持久極限曲線持久極限曲線0 . 0r6 . 0r1rmaxNOr107第十二章 交變應力maAOCBDE0rb4
17、511r1rtan1tan1rG)2,2(00G),(am第十二章 交變應力22001tgrmara1maxamrrtgma11minmaxminmaxtan1tan1r直線直線ACAC的斜率:的斜率:直線直線ACAC的方程:的方程:第十二章 交變應力12-7 12-7 不不對稱循環下構件的疲勞強度計算對稱循環下構件的疲勞強度計算amA1AOmaI HBC1CKGP1*1K*1C第十二章 交變應力)(1rmaraKKrmara1maxamrPHOHmarmmarPHPHOHnmax直線直線ACAC:那么直線那么直線 的縱坐標:的縱坐標:1CA1構件工作時,若危險點的應力循環由點構件工作時,若危險點的應力循環由點 表示表示),(amP構件工作安全系數構件工作安全系數第十二章 交變應力rmmarmaKPH)(1amakPH1marmmarPHPHOHnmaxmakn1,1mmarmk構件工作安全系數構件工作安全系數
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