机械基础第十七章精选文档.ppt

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1、机械基础课件第十七章本讲稿第一页，共二十一页v本章研究构件在载荷作用下其内部的内力和应力随时本章研究构件在载荷作用下其内部的内力和应力随时间不断变化的情况。学习时要了解动载荷的概念，能间不断变化的情况。学习时要了解动载荷的概念，能够计算惯性力存在时的动力系数并进行强度校核，同够计算惯性力存在时的动力系数并进行强度校核，同时明确有关交变应力、疲劳破坏与持久极限的知识。时明确有关交变应力、疲劳破坏与持久极限的知识。教学目的和要求教学目的和要求本讲稿第二页，共二十一页v动载荷的概念及动载荷条件下的强度计算；动载荷的概念及动载荷条件下的强度计算；v疲劳破坏；疲劳破坏；v持久极限。持久极限。教学重点教学

2、重点本讲稿第三页，共二十一页v动载荷条件下的强度计算；动载荷条件下的强度计算；v疲劳破坏的成因及其特点。疲劳破坏的成因及其特点。教学难点教学难点本讲稿第四页，共二十一页第一节第一节 动载荷动载荷 载荷不随时间变化（或变化极其平稳缓慢）且使构件各部件加载荷不随时间变化（或变化极其平稳缓慢）且使构件各部件加速度保持为零（或可忽略不计），此类载荷为速度保持为零（或可忽略不计），此类载荷为静载荷静载荷。用。用Nj表示，表示，与之相应的应力称为与之相应的应力称为静应力静应力，用，用j表示。表示。载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力）

3、，此类载荷为生惯性力），此类载荷为动载荷动载荷。用用Nd表示，与之相应的应力称表示，与之相应的应力称为为动应力动应力，用，用d表示。表示。本讲稿第五页，共二十一页如图所示的起重吊车，其吊索吊着重物以等加速度如图所示的起重吊车，其吊索吊着重物以等加速度a向上运向上运动。若吊索的截面面积为动。若吊索的截面面积为A，单位体积重量为，单位体积重量为，物体的重量物体的重量为为Q。求绳索在距下端。求绳索在距下端x处的截面上的轴力。处的截面上的轴力。取脱离体受力分析取脱离体受力分析轴力轴力物体重力物体重力绳索自重绳索自重惯性力惯性力本讲稿第六页，共二十一页由由令静荷载在吊索距下端令静荷载在吊索距下端x处截面

4、上引起的内力处截面上引起的内力 动力系数动力系数强度条件强度条件则则本讲稿第七页，共二十一页例例17-1 一滑轮起吊装置如图所示，已知被提升的物体重量一滑轮起吊装置如图所示，已知被提升的物体重量Q=40kN，上升时的最大加速度，上升时的最大加速度a=5m/s2，绳索的许用拉应力，绳索的许用拉应力=90MPa。绳索本身的质量忽略不计。试确定绳索的横截面面积绳索本身的质量忽略不计。试确定绳索的横截面面积A。解解（1）确定动内力。动力系数动力系数本讲稿第八页，共二十一页（2）确定绳索的横截面面积）确定绳索的横截面面积A。由强度条件式有由强度条件式有 故绳索的横截面面积为故绳索的横截面面积为 在计算动

5、力问题时，需要注意的是对不同类型的动力问题，在计算动力问题时，需要注意的是对不同类型的动力问题，其动力系数其动力系数是不同的是不同的。本讲稿第九页，共二十一页交变应力交变应力构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。第二节第二节 交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏一、交变应力和疲劳破坏的概念一、交变应力和疲劳破坏的概念本讲稿第十页，共二十一页折铁丝折铁丝PP疲劳破坏疲劳破坏金属材料若长期处于交变应力下，金属材料若长期处于交变应力下，在最大工作应力在最大工作应力远低于材料的屈远低于材料的屈服强度服强度，且不产生明显的

6、塑性变形，且不产生明显的塑性变形的情况下，也有可能发生突然的断的情况下，也有可能发生突然的断裂。这种破坏，习惯上称为疲劳破裂。这种破坏，习惯上称为疲劳破坏。坏。本讲稿第十一页，共二十一页二、交变应力作用下疲劳破坏的特点二、交变应力作用下疲劳破坏的特点（1）构件破坏时的最大工作应力值往往）构件破坏时的最大工作应力值往往远低于材料在静荷载远低于材料在静荷载作作用下的极限应力。用下的极限应力。（2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应应力循环力循环。（3）构件材料即使是韧性材料，疲劳破坏也是在没有明显塑）构件材料即使是韧性材料，疲劳破坏也是

7、在没有明显塑性变形的情况下突然发生的，在破坏前也没有明显的塑性变性变形的情况下突然发生的，在破坏前也没有明显的塑性变形预兆，呈现出的形预兆，呈现出的脆性破坏脆性破坏的特征。的特征。（4）金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的）金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区光滑区域与颗粒区域域。本讲稿第十二页，共二十一页(1)疲劳裂纹的形成。(2)疲劳裂纹的扩展。三、引起疲劳破坏的原因三、引起疲劳破坏的原因 构件中的最大工作应力达到一定值构件中的最大工作应力达到一定值时，经过一定的循环次数后，在高应力时，经过一定的循环次数后，在高应力区形成微观裂纹即区形成微观裂纹即裂纹源裂纹源。由于裂纹的尖端有

8、高度的应力集中，在交变应力作用下，微观裂纹逐由于裂纹的尖端有高度的应力集中，在交变应力作用下，微观裂纹逐渐发展成宏观裂纹，并不断扩展。裂纹两侧的材料时而张开渐发展成宏观裂纹，并不断扩展。裂纹两侧的材料时而张开,时而压紧，形时而压紧，形成成光滑区光滑区。本讲稿第十三页，共二十一页 疲劳裂纹不断扩展，有效面积逐渐减小，当裂纹长度达到临界尺疲劳裂纹不断扩展，有效面积逐渐减小，当裂纹长度达到临界尺寸时，由于裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，裂纹以极快的速度扩寸时，由于裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，裂纹以极快的速度扩展从而发生突然的脆性断裂，形成展从而发生突然的脆性断裂，形成粗糙区粗糙区。（3）脆性断裂。）

9、脆性断裂。应力重复变化一次的过程，应力重复变化一次的过程，称为一个称为一个应力循环应力循环。应力重。应力重复变化的次数复变化的次数，称为，称为应力循应力循环次数环次数。平均应力平均应力应力幅应力幅本讲稿第十四页，共二十一页第三节第三节 持久极限持久极限一、疲劳试验一、疲劳试验几个概念几个概念（1）持久极限持久极限。标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破。标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，称为该材料的持久极限。坏时的最大应力值，称为该材料的持久极限。持久极限也称持久极限也称疲劳极限疲劳极限。（2）条件持久极限条件持久极限。规定标准试件在一定循环次数下不破坏时的最。规定标准试

10、件在一定循环次数下不破坏时的最大应力，称为条件持久极限（或大应力，称为条件持久极限（或名义持久极限名义持久极限）。）。（3）应力寿命曲线应力寿命曲线。表示一定循环特征下标准试件的疲劳强。表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，称应力寿命曲线，也称度与疲劳寿命之间关系的曲线，称应力寿命曲线，也称-N曲曲线线。本讲稿第十五页，共二十一页-N曲线曲线疲劳实验装置疲劳实验装置本讲稿第十六页，共二十一页二、影响持久极限的因素二、影响持久极限的因素二、影响持久极限的因素二、影响持久极限的因素1）构件外形的影响）构件外形的影响 构件外形的突变处（槽、孔、缺口、裂纹等）会引起构件外形的突

11、变处（槽、孔、缺口、裂纹等）会引起应力集中应力集中现象，在应力集中区现象，在应力集中区域极易引发疲劳裂纹，会使构件的持久极限显著降低。域极易引发疲劳裂纹，会使构件的持久极限显著降低。2）构件尺寸的影响）构件尺寸的影响 尺寸越大，持久极限越低尺寸越大，持久极限越低。大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，故。大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，故引发疲劳裂纹的机会也多，从而降低了构件的持久极限。引发疲劳裂纹的机会也多，从而降低了构件的持久极限。3）构件表面质量的影响）构件表面质量的影响构件表面的加工缺陷（如划痕、擦伤等）将引起应力集中，而构件表面的加工缺陷（如划痕、擦伤等）将引起应力集中

12、，而最大应力又常发生在最大应力又常发生在表层，疲劳裂纹也多生成于表层表层，疲劳裂纹也多生成于表层，降低了构件的持久极限。，降低了构件的持久极限。本讲稿第十七页，共二十一页三、提高构件疲劳强度的措施三、提高构件疲劳强度的措施三、提高构件疲劳强度的措施三、提高构件疲劳强度的措施（1）减缓构件应力集中现象。减缓构件应力集中现象。尽量避免在构件上设计有方形或尽量避免在构件上设计有方形或带有尖角的孔和槽；在截面突变处采用足够大的过渡圆角，使带有尖角的孔和槽；在截面突变处采用足够大的过渡圆角，使截面缓慢变化。设置减荷槽或退刀槽等。截面缓慢变化。设置减荷槽或退刀槽等。（2）降低构件表面粗糙度。降低构件表面粗

13、糙度。加工时尽量避免使构件表面受到机械加工时尽量避免使构件表面受到机械损伤或化学损伤（如腐蚀等），出现划痕或凹坑。损伤或化学损伤（如腐蚀等），出现划痕或凹坑。（3）增加构件表层的强度。增加构件表层的强度。可采用热处理、渗碳、氮化等机可采用热处理、渗碳、氮化等机械和化学处理方法来强化表层，使表层强度提高，以提高构械和化学处理方法来强化表层，使表层强度提高，以提高构件的疲劳强度。件的疲劳强度。本讲稿第十八页，共二十一页本章小结v1.构件在作等加速度直线运动时，动载荷系数为构件在作等加速度直线运动时，动载荷系数为 构件在动载荷作用下的强度条件为构件在动载荷作用下的强度条件为v2.随时间作交替变化的应

14、力，称为交变应力。随时间作交替变化的应力，称为交变应力。金属材料若长期处于交变应力下，在最大工作应力远低于材料金属材料若长期处于交变应力下，在最大工作应力远低于材料的屈服强度，且不产生明显的塑性变形的情况下，也有可能发的屈服强度，且不产生明显的塑性变形的情况下，也有可能发生突然的断裂。这种破坏，习惯上称为疲劳破坏。生突然的断裂。这种破坏，习惯上称为疲劳破坏。本讲稿第十九页，共二十一页本章小结v3.标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，称为该材料的持久极限。持久极限也称疲劳极限。值，称为该材料的持久极限。持久极限也称疲劳极限。v4.提高构件疲劳强度，可从减缓构件应力集中现象、降低构件表面粗提高构件疲劳强度，可从减缓构件应力集中现象、降低构件表面粗糙度、增加构件表层的强度等方面来综合考虑。糙度、增加构件表层的强度等方面来综合考虑。本讲稿第二十页，共二十一页 谢谢大家！本讲稿第二十一页，共二十一页