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文檔簡介

工程力學經典第十七章疲勞強度第一頁,共二十六頁,2022年,8月28日

在工程中,尤其是在機械工程中,有許多構件承受隨時間周期性變化的應力,這種應力稱為交變應力。交變應力與疲勞破壞密切相關。本章介紹交變應力的基本概念、持久極限以及影響因素和疲勞強度計算等。第二頁,共二十六頁,2022年,8月28日17.1交變應力與疲勞破壞PPmntA1234t12341A點應力:1-2-3-4-1第三頁,共二十六頁,2022年,8月28日交變應力的特點:1、交變應力下構件的強度遠小于靜載荷作用下的強度極限,甚至小于屈服極限。2、破壞時,不論是脆性材料和塑性材料,均無明顯的塑性變形,且為突然斷裂,通常稱疲勞破壞。3、疲勞破壞的斷口,可分為光滑區及晶粒粗糙區。在光滑區可見到微裂紋的起始點(疲勞源),周圍為中心逐漸向四周擴展的弧形線。第四頁,共二十六頁,2022年,8月28日交變應力與疲勞破壞第五頁,共二十六頁,2022年,8月28日

交變應力超過一定的限度,在構件上應力集中處,產生微裂紋,再向四周擴展,形成宏觀裂紋,而不斷擴展。擴展中裂紋表面摩擦,形成光滑區;隨著裂紋的擴展,形成弧形。當表面被削弱至不能承受所加載荷而斷裂,即為脆斷粗糙區。疲勞破壞產生的過程可概括為:裂紋形成裂紋擴展斷裂第六頁,共二十六頁,2022年,8月28日交變應力與疲勞破壞第七頁,共二十六頁,2022年,8月28日第八頁,共二十六頁,2022年,8月28日金屬疲勞造成的事故1998年6月3日,德國一列高速列車在行駛中突然出軌,造成100多人遇難身亡的嚴重后果。事后經過調查,人們發現,造成事故的原因竟然是因為一節車廂的車輪內部疲勞斷裂而引起。從而導致了這場近50年來德國最慘重鐵路事故的發生。據150多年來的統計,金屬部件中有80%以上的損壞是由于疲勞而引起的。在人們的日常生活中,也同樣會發生金屬疲勞帶來危害的現象。一輛正在馬路上行走的自行車突然前叉折斷,造成車翻人傷的后果。炒菜時鋁鏟折斷、挖地時鐵锨斷裂、刨地時鐵鎬從中一分為二等現象更是屢見不鮮。第九頁,共二十六頁,2022年,8月28日17.2交變應力的循環特性和應力幅值應力循環:一點的應力由某一數值開始,經過一次完整的變化又回到這一數值的一個過程。tT最大應力:

;最小應力:

;平均應力:應力幅:循環特征:且第十頁,共二十六頁,2022年,8月28日以上五個特征值中,只有二個是獨立的。滿足具體描述一種叫變應力,可用最大應力和循環應力r,或用平均應力和應力幅值。幾種典型的交變應力情況不穩定的交變應力:、不是常量,變化(不等幅情況)。穩定的交變應力:、均不變,為常數(等幅情況);第十一頁,共二十六頁,2022年,8月28日交變應力的循環特性和應力幅值(1)對稱循環:如受彎的車軸t(2)脈動循環:如齒輪t第十二頁,共二十六頁,2022年,8月28日(3)靜應力:如拉壓桿tt(4)非對稱循環:

,第十三頁,共二十六頁,2022年,8月28日17.3材料的疲勞極限及其測定疲勞壽命:材料在交變應力作用下產生疲勞破壞時所經歷的應力循環次數,記作N,與及r有關。在一定的循環特征r下:疲勞極限或有限壽命持久極限:材料在規定的應力循環次數N下,不發生疲勞破環的最大應力值,記作。無限壽命疲勞極限或持久極限:

當不超過某一極限值,材料可以經受“無數次”應力循環而不發生破壞,此極限值稱為無限壽命疲勞極限或持久極限。第十四頁,共二十六頁,2022年,8月28日

值是工程材料最常見、最基本的材料性能指標之一。測定該值的方法為:試件:d=7-10mm,表面磨光的小試件6-10根。機器:疲勞試驗機(簡支梁式或懸臂梁式)循環基數:鋼:(出現水平漸近線)

有色金屬:規定名義疲勞極限),疲勞曲線不出現水平漸近線。步驟:第十五頁,共二十六頁,2022年,8月28日第十六頁,共二十六頁,2022年,8月28日第十七頁,共二十六頁,2022年,8月28日材料的疲勞極限及其測定先取,經過次循環后斷裂;再取(比減少20-40MPa),經過次循環后斷裂;………………

如果第七根試件在下經歷了次循環次數而不斷裂,并或,則即為該材料的疲勞極限。否則,進行下一根試件的試驗。第十八頁,共二十六頁,2022年,8月28日材料的疲勞極限及其測定第十九頁,共二十六頁,2022年,8月28日17.4影響疲勞極限的因素構件的持久極限是指構件可以經受“無數次”應力循環而不發生破壞的最大交變應力值。與材料的持久極限相比必須考慮一下因素:1、構件外形引起的影響——應力集中Kσ稱為彎曲(或拉壓)時的有效應力集中系數;Kτ稱為扭轉時的有效應力集中系數。Kσ與Kr均是大于1的數值。有效應力集中系數Kσ或Kr與材料性質有關:第二十頁,共二十六頁,2022年,8月28日(1)鋼的強度極限σb愈高,有效應力集中系數Kσ或Kτ愈大。鋼的組織愈均勻,晶粒愈細,其抗拉強度呢愈高,因此高強度鋼的Kσ

及Kτ之值比低炭鋼的大,即應力集中對高強度鋼的疲勞極限影響較大。(2)r/d愈大,應力集中系數Kσ及Kτ愈小,所以增大構件的圓角半徑r,可以降低應力集中的影響。第二十一頁,共二十六頁,2022年,8月28日2.構件尺寸的影響試驗證實:疲勞極限隨尺寸的增加而降低,設σ-1ε和τ-1ε為光滑大試件的疲勞極限,σ-1ε與τ-1ε為用光滑小試件(d=7~10mm)的疲勞極限,尺寸系數定義為:3、構件表面狀態的影響(1)表面加工影響:表面加工系數

為不同表面加工的構件的持久極限,為表面磨光構件的持久極限。第二十二頁,共二十六頁,2022年,8月28日(2)表面腐蝕影響:表面腐蝕系數

為腐蝕介質中構件的持久極限,為空氣中構件的持久極限。(3)表面強化影響:表面強化系數

為以不同強化方法處理構件的持久極限,為未經強化構件的持久極限。第二十三頁,共二十六頁,2022年,8月28日

以上、、總稱為表面狀態系數,以表示。在計算中,根據具體情況取其中主要因素,一般不將各值相乘。即=不同表面質量構件的持久極限表面磨光試樣的持久極限第二十四頁,共二十六頁,2022年,8月28日對稱循環下的構件疲勞強度計算

在考慮應力集中、尺寸大小和表面狀態的綜合影響后,構件在循環特征r=-1下的疲勞極限為:構

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