第16章交变应力精选文档.ppt

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1、第16章交变应力本讲稿第一页，共三十五页第十六章第十六章第十六章第十六章 交变应力交变应力交变应力交变应力Alternating StressAlternating StressAlternating StressAlternating Stress静力静力 强度强度 刚度刚度 拉（压）、剪、扭、弯及其组合拉（压）、剪、扭、弯及其组合 稳定稳定动力动力 等加速度平动、匀速转动等加速度平动、匀速转动 冲击冲击 交变应力交变应力 本讲稿第二页，共三十五页内内内内 容容容容161 概述（交变应力和疲劳破坏）概述（交变应力和疲劳破坏）162 循环循环特性、平均应力和应力幅度特性、平均应力和应力幅度16

2、3 材料疲劳极限及其测定材料疲劳极限及其测定164 影响构件疲劳极限的主要因素影响构件疲劳极限的主要因素165 对称循环对称循环的疲劳强度校核的疲劳强度校核166 其他相关其他相关力学性能力学性能简介简介本讲稿第三页，共三十五页一、交变应力：一、交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性构件内一点处的应力随时间作周期性 变化，称为交变应力变化，称为交变应力折铁丝折铁丝161 交变应力和疲劳破坏（交变应力和疲劳破坏（Fatigue FailureFatigue Failure）PP本讲稿第四页，共三十五页tydo4312zytoaaLp p交变应力的例子交变应力的例子 观察车轮上一个点观察车轮上

3、一个点本讲稿第五页，共三十五页疲劳破坏疲劳破坏特点：特点：1、最大应力远小于静荷强度、最大应力远小于静荷强度2、破坏方式：脆性断裂、破坏方式：脆性断裂3、破坏断口：光滑区粗糙区、破坏断口：光滑区粗糙区本讲稿第六页，共三十五页二、疲劳破坏的发展过程二、疲劳破坏的发展过程1.1.高应力区在交变应力下出现高应力区在交变应力下出现微微裂缝裂缝裂纹源裂纹源2.2.裂纹源尖端的应力集中，使裂纹扩展裂纹源尖端的应力集中，使裂纹扩展宏宏裂纹裂纹3.3.宏裂纹两侧时压、时离，似相互研磨，形成宏裂纹两侧时压、时离，似相互研磨，形成光光滑区滑区4.4.裂纹削弱的截面，应力增裂纹削弱的截面，应力增 大到一定程度，在突

4、加的大到一定程度，在突加的 外因（超载、冲击或振动外因（超载、冲击或振动 ）下突然断裂，断口出现）下突然断裂，断口出现 粗粗糙糙区区5.5.因裂纹尖端为因裂纹尖端为3 3向应力状态向应力状态 故为出现故为出现脆脆性断裂性断裂材料在交变应力下的破坏，称为疲劳破坏材料在交变应力下的破坏，称为疲劳破坏本讲稿第七页，共三十五页三、疲劳破坏的特点三、疲劳破坏的特点:2.2.断裂发生要经过一断裂发生要经过一 定的循环次数定的循环次数3.3.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）本讲稿第八页，共三十五页一、循环特性（应力比）一、循环特性（应力比）C

5、ycle Property Cycle Property三、应力幅三、应力幅 Amplitude Amplitude of Stress of Stress二、平均应力二、平均应力 Average Stress Average StresssmsminsmaxsaTts162 循环循环特性、平均应力和应力幅度特性、平均应力和应力幅度本讲稿第九页，共三十五页四、几种特殊的交变应力：四、几种特殊的交变应力：1 1.对对称称循循环环：smtsminsmaxsaTs本讲稿第十页，共三十五页2.2.脉动循环脉动循环3.静循环静循环sminsmaxsatssmtssmsminsmax本讲稿第十一页，共三十

6、五页例例1 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 最小拉力最小拉力 Pmin=55.8kN，螺纹内径螺纹内径 d=11.5mm 求求 a、m 和和 r解：解：本讲稿第十二页，共三十五页一、材料疲劳极限：一、材料疲劳极限：循环应力只要不超过某个循环应力只要不超过某个“最大限度最大限度”,构件就可构件就可 以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称 为为“疲劳极限疲劳极限”，用，用 r r 表示表示二、二、N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：N0循环次数循环次数 r材料疲劳极限材料疲

7、劳极限 A条件（名义）疲劳极限条件（名义）疲劳极限N(次数次数)sANAsrN0163 材料疲劳极限及其测定材料疲劳极限及其测定本讲稿第十三页，共三十五页16164 4 影响构件疲劳极限的主要因素影响构件疲劳极限的主要因素1、构件外形的影响（应力集中会显著降低构、构件外形的影响（应力集中会显著降低构 件的疲劳极限）件的疲劳极限）2、构件尺寸的影响（随着试件横截面尺寸的、构件尺寸的影响（随着试件横截面尺寸的 增大，疲劳极限会相应地降低）增大，疲劳极限会相应地降低）3、构件表面质量的影响（表面质量越高，疲、构件表面质量的影响（表面质量越高，疲 劳极限越高）劳极限越高）本讲稿第十四页，共三十五页一、

8、构件外形（应力集中）的影响一、构件外形（应力集中）的影响 r0 与与 r 的关系：的关系：k 有效应力集中系数：有效应力集中系数：尺寸系数：尺寸系数：二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响 本讲稿第十五页，共三十五页 表面质量系数：表面质量系数：如果循环应力为切应力，将正应力换为切应力即可如果循环应力为切应力，将正应力换为切应力即可 对称循环下对称循环下，r=-1。上述各系数均可查表而得。上述各系数均可查表而得三、构件表面质量的影响三、构件表面质量的影响 本讲稿第十六页，共三十五页 提高构件疲劳强度的主要措施提高构件疲劳强度的主要措施1、减缓应力集中（会显著提高构件的疲劳极限）、减缓应力集中（会

9、显著提高构件的疲劳极限）2、提高表面光洁度（表面质量越高，疲劳极、提高表面光洁度（表面质量越高，疲劳极 限越高）限越高）3、增强表面强度（降低表面裂纹出现概率）、增强表面强度（降低表面裂纹出现概率）本讲稿第十七页，共三十五页例例 铬镍合金钢阶梯轴铬镍合金钢阶梯轴 b=920MPa，1=420MPa 1=250MPa，求弯曲和扭转时的有效应力集中，求弯曲和扭转时的有效应力集中 系数和尺寸系数系数和尺寸系数解：解：1.1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数由图由图表表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f50f40r=5本讲稿第十八页，

10、共三十五页2.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表表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本讲稿第十九页，共三十五页一一、对对 称称 循循 环环 的的疲疲 劳劳 容容 许许 应应 力力:二二、对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件:165 对称循环对称循环的疲劳强度校核的疲劳强度校核本讲稿第二十页，共三十五页例例 旋转碳钢轴上作用一不变的力偶旋转碳钢轴上作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表，轴表 面经过精车，面经过精车，b=600MPa，1=250MPa，规定规定 n=1.9校校核轴的强度

11、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f70f50r=7.5MM本讲稿第二十一页，共三十五页 强度校核强度校核 求求k：求求 ：查图得：查图得查图得查图得求求 ：表面精车，：表面精车，=0.94安全安全本讲稿第二十二页，共三十五页一、应力速率对材料力学性能的影响一、应力速率对材料力学性能的影响2低碳钢低碳钢Ose1静荷载静荷载动荷载动荷载0 20 40 60 80 100320300280260240220200应力速率与屈服极限的关系应力速率与屈服极限的关系ss(MPa)s (MPa/s)166 其他相关其他相关力学性能简介（力学性能简介（开窗

12、口开窗口-扩眼界扩眼界）本讲稿第二十三页，共三十五页二、温度对材料力学性能的影响二、温度对材料力学性能的影响总趋势总趋势:温度升高温度升高,E、S、b 下降，下降，、增大增大温度下降温度下降,b增大增大 、减小减小0 100 200 300 400 500216177137700600500400300200100100908070605040302010Ed温度对低碳钢力学性能的影响温度对低碳钢力学性能的影响本讲稿第二十四页，共三十五页20001750150012501000 750 500 250 0-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 d

13、80706050403020100温度对铬锰合金力学性能的影响温度对铬锰合金力学性能的影响本讲稿第二十五页，共三十五页温度降低，塑性降低，强度极限提高温度降低，塑性降低，强度极限提高 P(kN)-0 5 10 15 302010 0 Dl(mm)纯铁-0 5 10 15 302010 0 P(kN)Dl(mm)中碳钢 本讲稿第二十六页，共三十五页温度降低，温度降低，b增大，为什么结构会发生低温脆断？增大，为什么结构会发生低温脆断？本讲稿第二十七页，共三十五页构构件件的的工工作作段段不不能能超超过过稳稳定定阶阶段段 e tOABCDE不稳定不稳定阶段阶段稳定阶段稳定阶段加速阶段加速阶段破坏破坏阶

14、段阶段 e0材料的蠕变曲线材料的蠕变曲线本讲稿第二十八页，共三十五页温度越高蠕变越快温度越高蠕变越快应力越高蠕变越快应力越高蠕变越快s1s2s3s4温度不变应力不变T1T2T3T4本讲稿第二十九页，共三十五页三、三、应力松弛应力松弛 在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹性在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹性变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内的应变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内的应力变小力变小 称为应力松弛称为应力松弛 本讲稿第三十页，共三十五页温度不变e2e1e3初应力越大初应力越大松弛的初速率越大松弛的初速率越大初始弹性应变不变T1T3T2温度越高温度越高松弛的初

15、速率越大松弛的初速率越大本讲稿第三十一页，共三十五页四、冲击荷载下材料力学性能四、冲击荷载下材料力学性能 冲击韧度冲击韧度转变温度转变温度 温度降低，温度降低，b增大，结构反而还发生低温脆断增大，结构反而还发生低温脆断原因何在？原因何在？温度降低，温度降低，b 增大，增大，但材料的冲击韧性下降但材料的冲击韧性下降且抗断裂能力基本不变，所以，结构易发生低温且抗断裂能力基本不变，所以，结构易发生低温脆断脆断本讲稿第三十二页，共三十五页试件试件1.冲击试验试件冲击试验试件40554055101010102R 0.52R1V型切口试样型切口试样U型切口试样型切口试样本讲稿第三十三页，共三十五页“U”型口试件的冲击韧性：型口试件的冲击韧性：“V”型口试件的冲击韧性：型口试件的冲击韧性：冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆本讲稿第三十四页，共三十五页本讲稿第三十五页，共三十五页