15 材料力学--疲劳强度.ppt

材料力学材料力学第十五章第十五章 疲劳强度疲劳强度（Fatigue Strength)151 151 交变应力及疲劳破坏交变应力及疲劳破坏152 152 材料的疲劳极限材料的疲劳极限153 153 构件的疲劳极限及其影响因素构件的疲劳极限及其影响因素154 154 构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算155 155 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施 本章习题本章习题15-1 15-1 交变应力及疲劳破坏交变应力及疲劳破坏一、一、交变应力交变应力(alternating stress)：随时间循环变化的应：随时间循环变化的应力。循环应力随时间变化的历程称为应力谱力。循环应力随时间变化的历程称为应力谱(stress spectrum)折铁丝折铁丝:循环特征或循环特征或应力比应力比(stress ratio)：应力幅应力幅(stress amplitude)：平均应力平均应力(mean stress)：交变应力的名词术语交变应力的名词术语tSSminSmSmaxTSa 应力循环周期应力循环周期T：1 1 对称循环对称循环 几种常见的交变应力：几种常见的交变应力：max min at m 2 2 脉动循环脉动循环 max m min a at t 3 3 静循环静循环稳定交变应力：循环特征及周期不变。稳定交变应力：循环特征及周期不变。maxmin4 4 不对称循环不对称循环 例例15-115-1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN=58.3kN，最小拉力最小拉力Pmin=55.8kN=55.8kN，螺纹内螺纹内径为径为 d=11.5mmd=11.5mm，试求试求 a、m 和和 r。解：解：二、二、疲劳破坏疲劳破坏(fatigue failure)：在交变应力作用下，构：在交变应力作用下，构件所发生的破坏。件所发生的破坏。粗糙区粗糙区光滑区光滑区裂纹源裂纹源应力集中区在长期交变应力作用下，逐渐形成微观裂应力集中区在长期交变应力作用下，逐渐形成微观裂纹，成为裂纹源。纹，成为裂纹源。裂纹尖端严重的应力集中促使微观裂纹逐渐扩展，裂纹尖端严重的应力集中促使微观裂纹逐渐扩展，形成宏观裂纹。形成宏观裂纹。应力的交替变化使裂纹面发生应力的交替变化使裂纹面发生“研磨研磨”形成光滑区。形成光滑区。裂纹的迅速扩展，使构裂纹的迅速扩展，使构件截面严重削弱，从而件截面严重削弱，从而发生突然脆性断裂。发生突然脆性断裂。3.3.断裂发生要经过一定的断裂发生要经过一定的循环次数；循环次数；2.2.破坏均呈脆断；破坏均呈脆断；4.4.“断口断口”分区明显。分区明显。（光滑区和粗糙区）（光滑区和粗糙区）疲劳破坏的特点：疲劳破坏的特点：粗糙区粗糙区光滑区光滑区裂纹源裂纹源疲劳强度疲劳强度(fatigue strength)：构件抵抗疲劳破坏的能力：构件抵抗疲劳破坏的能力15152 2 材料的疲劳极限材料的疲劳极限一一、材材料料持持久久极极限限（endurance limit）：循循环环应应力力只只要要不不超超过过某某个个“最最大大限限度度”,构构件件就就可可以以经经历历无无数数次次循循环环而不坏，而不坏，这个限度值称为这个限度值称为“持久持久极限极限”，用，用 r 表示表示。二、二、NN曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：N0循环基数。循环基数。r材料持久极限。材料持久极限。A名义持久极限。名义持久极限。15153 3 构件的疲劳极限及其影响因素构件的疲劳极限及其影响因素一、一、影响构件疲劳极限的因素影响构件疲劳极限的因素有效应力集中系数有效应力集中系数Kf(effective stress concentration factor)尺寸系数尺寸系数 (size factor)表面质量系数表面质量系数 (surface factor)对称循环时：对称循环时：例例15-3-115-3-1铬镍合金钢材料的阶梯轴如图，铬镍合金钢材料的阶梯轴如图，b b=920MPa=920MPa，11=420MPa=420MPa，11=250MPa=250MPa，分别求出弯曲和扭转时分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。的有效应力集中系数和尺寸系数。解：解：弯曲时的有效应力集弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数中系数和尺寸系数由图由图查有效应力集中系数查有效应力集中系数由表查尺寸系数由表查尺寸系数 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由图由图查有效应力集中系数查有效应力集中系数应用直线插值法应用直线插值法由表查尺寸系数由表查尺寸系数15-4 15-4 构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度条件：构件的疲劳强度条件：max为构件内最大的工作应力，为构件内最大的工作应力，r为构件的许用应为构件的许用应力力，n为规定的安全因数。为规定的安全因数。一一、对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件:构件的工作安全因数：构件的工作安全因数：强度条件：强度条件：二二、非非对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件:三、弯扭组合变形时构件的强度条件三、弯扭组合变形时构件的强度条件 例例15-4-1 15-4-1 旋转碳钢轴上，作用一不变的力旋转碳钢轴上，作用一不变的力M=0.8kNm=0.8kNm，轴表面经过精车，轴表面经过精车，b b=600MPa=600MPa，11=250MPa=250MPa，n=1.9=1.9，试校核轴的强度。试校核轴的强度。解：解：确定危险点应力及确定危险点应力及循环特征循环特征为对称循环为对称循环强度校核强度校核查图表求各影响系数，计算构件持久极限查图表求各影响系数，计算构件持久极限(1)(1)求求K K ：(2)(2)求求 ，查表得：，查表得：查图查图(3)(3)求求 ，表面精车，表面精车，=0.94=0.94安全安全15155 5 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施一、减缓应力集中一、减缓应力集中截面尺寸突变处，采用半径足够大的过渡圆角；截面尺寸突变处，采用半径足够大的过渡圆角；开减荷槽或退刀槽；角焊缝处，采用坡口焊接等。开减荷槽或退刀槽；角焊缝处，采用坡口焊接等。精加工；使用中避免表面受机械损伤（划伤、打印）精加工；使用中避免表面受机械损伤（划伤、打印）或化学损伤（腐蚀、生锈）等。或化学损伤（腐蚀、生锈）等。二、降低表面粗糙度二、降低表面粗糙度三、增加表层强度三、增加表层强度可采用热处理和化学处理：表面高频淬火、渗碳、可采用热处理和化学处理：表面高频淬火、渗碳、氮化等；也可采用机械的方法：滚压、喷丸等。氮化等；也可采用机械的方法：滚压、喷丸等。一、选择题一、选择题1、构件在临近疲劳断裂时，其内部、构件在临近疲劳断裂时，其内部 。A、无应力集中现象；、无应力集中现象；C、无明显的塑性变形；、无明显的塑性变形；D、不存在裂纹；、不存在裂纹；D、不存在应力。、不存在应力。2、塑塑性性较较好好的的材材料料在在交交变变应应力力作作用用下下，当当危危险险点点的的最大应力低于屈服极限时，最大应力低于屈服极限时，。A、既不可能有明显塑性变形，也不可能发生断裂；、既不可能有明显塑性变形，也不可能发生断裂；B、虽可能有明显塑性变形，但不可能发生断裂；、虽可能有明显塑性变形，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；、不仅可能有明显的塑性变形，而且可能发生断裂；D、虽不可能有明显的塑性变形，但可能发生断裂。、虽不可能有明显的塑性变形，但可能发生断裂。CD 本本 章章 习习 题题3、自自行行车车在在平平路路上上行行驶驶时时，其其前前轮轮轴轴中中的的应应力力是是 。A、脉动循环应力；、脉动循环应力；B、对称循环应力；、对称循环应力；C、非对称循环应力；、非对称循环应力；D、不变的弯曲应力。、不变的弯曲应力。4、火火车车运运行行时时，其其车车箱箱轮轮轴轴中中段段横横截截面面边边缘缘上上任任一一点点的应力为的应力为 。A、脉动循环交变应力；、脉动循环交变应力；B、对称循环交变应力；、对称循环交变应力；C、非对称循环交应应力；、非对称循环交应应力；D、不变的弯曲应力。、不变的弯曲应力。AB 5、齿齿轮轮传传动动时时，齿齿根根部部某某点点弯弯曲曲正正应应力力的的循循环环特特征征r=。A、-1；B、0；C、1/2；D、1。B 6、在在相相同同的的交交变变载载荷荷作作用用下下，构构件件的的横横向向尺尺寸寸增增大大，其其 。A、工作应力减小，持久极限提高；、工作应力减小，持久极限提高；B、工作应力增大，持久极限降低；、工作应力增大，持久极限降低；C、工作应力增大，持久极限提高；、工作应力增大，持久极限提高；D、工作应力减小，持久极限降低。、工作应力减小，持久极限降低。7、构构件件在在对对称称循循环环交交变变应应力力作作用用下下的的许许用用应应力力等等于于 。A、材料的持久极限；、材料的持久极限；B、构件的持久极限；、构件的持久极限；C、材料的持久极限与疲劳安全系数之比；、材料的持久极限与疲劳安全系数之比；D、构件的持久极限与疲劳安全系数之比。、构件的持久极限与疲劳安全系数之比。BD 8、当当交交变变应应力力的的 不不超超过过材材料料的的持持久久极极限限时时，试试件件可可经历无限多次应力循环，而不会发生疲劳破坏。经历无限多次应力循环，而不会发生疲劳破坏。A、最大应力；、最大应力；B、最小应力；、最小应力；C、平均应力；、平均应力；D、应力幅度。、应力幅度。9、同同一一材材料料，在在相相同同的的变变形形形形式式中中，当当循循环环特特征征 r=时，其疲劳极限最低。时，其疲劳极限最低。A、r=-1；B.r=0;C.r=0.5;D.r=1。AA 10、材料的持久极限与试件的、材料的持久极限与试件的 无关。无关。A、材料；、材料；B、变形形式；、变形形式；C、循环特征；、循环特征；D、最大应力。、最大应力。D 11、在以下措施中，、在以下措施中，将会降低构件的持久极限。将会降低构件的持久极限。A、增加构件表面光洁度；、增加构件表面光洁度；B、增强构件表层硬度；、增强构件表层硬度；C、加大构件的几何尺寸；、加大构件的几何尺寸；D、减缓构件的应力集中。、减缓构件的应力集中。C