材料力学——交变应力课件.ppt

《材料力学——交变应力课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学——交变应力课件.ppt（79页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、111 概述概述112 交变应力的几个名词术语交变应力的几个名词术语113 材料持久限及其测定材料持久限及其测定114 构件持久限及其计算构件持久限及其计算115 对称循环下对称循环下构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算11116 6 持久极限曲线持久极限曲线117 非对称循环下的疲劳强度计算非对称循环下的疲劳强度计算11118 8 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施11 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效一、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变化。构件内一点处的应力随时间作周期性变化。oaaLppFSM火车轮轴简化为一火车轮轴简化为一 外伸梁外伸梁tyd P

2、ammtydo 213412341 max mint tOt静平衡位置静平衡位置tmv生活中的交变应力？生活中的交变应力？二、疲劳破坏二、疲劳破坏(疲劳失效疲劳失效)材料在材料在长期交变应力长期交变应力作用下的作用下的脆断脆断。二、疲劳破坏二、疲劳破坏(疲劳失效疲劳失效)4 4、破坏断口：、破坏断口：材料在交变应力下的失效；材料在交变应力下的失效；特点：特点：1 1、破坏时的名义应力值远低于材料在静载作破坏时的名义应力值远低于材料在静载作用下的强度极限，甚至小于屈服极限。用下的强度极限，甚至小于屈服极限。破坏方式：破坏方式：脆性断裂脆性断裂3 3、即使塑性很好的材料也无明显的塑性变形；、即使塑

3、性很好的材料也无明显的塑性变形；光滑区粗糙区光滑区粗糙区2.2.断裂发生要经过一定的循环次数；断裂发生要经过一定的循环次数；三三 疲劳失效案例疲劳失效案例案例案例1、传动轴的疲劳失效、传动轴的疲劳失效 案例案例2、弹簧的疲劳失效、弹簧的疲劳失效案例案例3、飞机的疲劳失效、飞机的疲劳失效 案例案例4、推土机前联轴节疲劳失效断口、推土机前联轴节疲劳失效断口四、四、疲劳失效的解释疲劳失效的解释 材料的疲劳失效是在交变应力作用下，材料中材料的疲劳失效是在交变应力作用下，材料中裂裂纹的形成和逐渐发展的结果纹的形成和逐渐发展的结果具体过程如下：具体过程如下：（1）、原因）、原因 由于构件的由于构件的形状变

4、化、材料不均匀、表面加工质量形状变化、材料不均匀、表面加工质量等原等原因，使得构件内某局部区域的应力偏高，形成高应力区因，使得构件内某局部区域的应力偏高，形成高应力区而裂纹尖端处于严重的而裂纹尖端处于严重的应力集中应力集中是导致疲劳失效的主要原因。是导致疲劳失效的主要原因。构件构件长长期在交期在交变应变应力的作用下，在最不利或力的作用下，在最不利或较较弱的晶弱的晶体，沿体，沿最大切最大切应应力力作用面形成滑移带，滑移带开裂形成作用面形成滑移带，滑移带开裂形成微观裂纹；微观裂纹；（2）、微观裂纹形成）、微观裂纹形成分散的微分散的微观观裂裂纹经过纹经过集集结结沟通，形成宏沟通，形成宏观观裂裂纹纹，

5、此，此即裂即裂纹纹萌生的萌生的过过程。程。(3)、宏观裂纹、宏观裂纹裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形。裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形。已形成的宏已形成的宏观观裂裂纹纹在交在交变应变应力的作用下逐力的作用下逐渐扩渐扩展，展，扩扩展是展是缓缓慢的并且是不慢的并且是不连续连续的。因的。因应应力水平的高低力水平的高低时时而而持持续续，时时而停滞，裂而停滞，裂纹纹两两侧时压侧时压、时时离，似相互研磨，离，似相互研磨，形成光滑区。形成光滑区。（4）、裂纹扩展）、裂纹扩展随裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，随裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，应力增大。当削弱到一定极限时，应应力

6、增大。当削弱到一定极限时，应力增大到一定程度，在突变的外因力增大到一定程度，在突变的外因（超载、冲击或振动）下突然断裂，（超载、冲击或振动）下突然断裂，断口出现粗糙区。断口出现粗糙区。（5）、脆断）、脆断疲劳破坏产生的过程可概括为：疲劳破坏产生的过程可概括为：裂纹形成裂纹形成 裂纹扩展裂纹扩展 断裂断裂五、研究疲劳失效的意义五、研究疲劳失效的意义2、飞机、车辆、机器发生的事故下，有很大比例是由于、飞机、车辆、机器发生的事故下，有很大比例是由于零部件的疲劳失效造成的；零部件的疲劳失效造成的；1、在交变应力的作用下，即使、在交变应力的作用下，即使 ，构件在无明显的征兆情况下发生脆断；构件在无明显的

7、征兆情况下发生脆断；1952-1956年，英国的3架“彗星式”喷气客机空中爆炸；年月日，华航班机在澎湖马年月日，华航班机在澎湖马公外海上空失事，机上人全部遇难。飞机后部的公外海上空失事，机上人全部遇难。飞机后部的金属疲劳造成机体在空中解体，这是导致此次空难的最金属疲劳造成机体在空中解体，这是导致此次空难的最大因素。大因素。失事飞机为波音型机，机龄超过年。失事飞机为波音型机，机龄超过年。过山车事故过山车事故v1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。造成事故的原因：一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。据据150多年来的统计，金属部多年来的统计，金属部件

8、中有件中有80以上的损坏是由于疲以上的损坏是由于疲劳而引起的。劳而引起的。五五 疲劳失效在生活中的应用疲劳失效在生活中的应用1、用钳子剪断钢丝；、用钳子剪断钢丝；2、如何拔除一棵小树？、如何拔除一棵小树？3、金属疲劳断裂特性制造的应力断料机、金属疲劳断裂特性制造的应力断料机 t T一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变化又回到这一数一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变化又回到这一数值的一个过程值的一个过程;最大应力：最大应力：最小应力：最小应力：；平均应力：平均应力：112 交变应力的循环特性、应力幅和平均应力交变应力的循环特性、应力幅和平均应力1、交变应力的参数、交变应力的参数应力

9、幅：应力幅：循环特征：循环特征：满足满足具体描述一种交变应力，可用最大应力具体描述一种交变应力，可用最大应力 和循环特性和循环特性r，或用平均应力或用平均应力 和应力幅值和应力幅值 。2、几种典型的交变应力、几种典型的交变应力不等幅交变应力不等幅交变应力；等幅交变应力等幅交变应力稳定的交变应力：稳定的交变应力：不稳定的交变应力不稳定的交变应力均不变，均不变，为常数为常数不是常量不是常量为变化的为变化的（1）对称循环：）对称循环：火车轮轴横截面边缘上点的弯曲正应力随时间作周期性变化火车轮轴横截面边缘上点的弯曲正应力随时间作周期性变化 Att（2）非对称循环：非对称循环：t静平衡位置静平衡位置tm

10、（3）脉动循环：）脉动循环：t（4）静应力静应力：如拉压杆：如拉压杆t 例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，最小拉力力Pmin=55.8kN，螺纹内径为，螺纹内径为 d=11.5mm，试求试求 a、m 和和 r。材料在交变应力作用下产生疲劳失效时所经历的应材料在交变应力作用下产生疲劳失效时所经历的应 力循环次数，记作力循环次数，记作 N；113 材料持久极限及其测定材料持久极限及其测定疲劳寿命：疲劳寿命：与与 及及 r 有关。有关。一、材料的持久极限一、材料的持久极限在一定的循环特征在一定的循环特征 r r 下：下：材料经历材料

11、经历无数次应力循环无数次应力循环仍不发生疲劳失效的仍不发生疲劳失效的最大应力最大应力材料持久限材料持久限(疲劳极限疲劳极限)用用 r 表示表示。无限寿命疲劳极限或持久极限无限寿命疲劳极限或持久极限材料在规定的应力循环次数材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳失效的最大应力下，不发生疲劳失效的最大应力值，记作值，记作 。疲劳极限或有限寿命持久极限：疲劳极限或有限寿命持久极限：值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。测定该值测定该值 的方法如下：的方法如下：试件：试件：机器：机器：d=7-10mm;表面磨光的小试件表面磨光的小试件6-10 根。

12、根。疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）二、材料在纯弯、对称循环下持久极限的测定二、材料在纯弯、对称循环下持久极限的测定试验装置试验装置步骤步骤：先取先取 ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;再取再取 （比（比 减少减少20-40MPa），经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;N N1 1为该组试件的平均值为该组试件的平均值根据试验结果作疲劳强度根据试验结果作疲劳强度-寿命曲线寿命曲线-N图。图。水平渐近线的纵坐标值水平渐近线的纵坐标值持久极限持久极限N(次数)sNAsAsrN0三、名义持久极限、持久寿命三、名义持久极限、持久寿命循环基数循环基数N0：钢：钢：1

13、07有色金属：有色金属：108名义持久极限名义持久极限NA：称为称为A的疲劳寿命的疲劳寿命A称为持久寿命称为持久寿命NA的持久极限；的持久极限；最大应力为最大应力为A时失效前经历时失效前经历的循环次数的循环次数(NA A)材料在规定的应力循环次数材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲下，不发生疲劳失效的最大应力值劳失效的最大应力值114 影响构件持久极限的因素影响构件持久极限的因素光滑、小试件光滑、小试件、实验室测得实验室测得构件可以经受构件可以经受“无数次无数次”应力循环而不发生疲劳失效的应力循环而不发生疲劳失效的交变应力最大值。交变应力最大值。材料持久极限材料持久极限 r 对于同种材料制成

14、的形状不同、工作环境不同的具体对于同种材料制成的形状不同、工作环境不同的具体构件，持久极限会相同吗？构件，持久极限会相同吗？构件的持久极限构件的持久极限与材料的持久极限相比必须考虑一些影响因素；与材料的持久极限相比必须考虑一些影响因素；1、构件外形引起的影响、构件外形引起的影响K K称为的有效应力集中系数称为的有效应力集中系数应力集中应力集中f50f40r=5不仅与外形有关，还与材料有关不仅与外形有关，还与材料有关应力集中会显著降低构应力集中会显著降低构 件的持久极限件的持久极限构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。影响应力集中

15、系数的因素影响应力集中系数的因素影响应力集中系数的因素影响应力集中系数的因素(1)(1)钢的强度极限钢的强度极限 b b愈高，有效应力集中系数愈高，有效应力集中系数K K 或或K K 愈大。钢的组愈大。钢的组 织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度越高，因此高强度钢的织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度越高，因此高强度钢的K K 及及K K 之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影 响较大。响较大。(2)(2)r/dr/d愈大，应力集中系数愈大，应力集中系数K K 及及K K 愈小，所以增大构件的圆角半愈小，所以增大构件的圆角半 径径r r,可以降

16、低应力集中的影响。可以降低应力集中的影响。2 2、构件尺寸的影响、构件尺寸的影响随构件横截面尺寸的增大，持久极限会相应地降低随构件横截面尺寸的增大，持久极限会相应地降低持久极限是用小试样测定的，实际构件尺寸较大。3、构件表面质量的影响、构件表面质量的影响构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；使得构件的表面存在较严重的应力集中；使得构件的表面存在较严重的应力集中；=不同表面质量构件的持久极限不同表面质量构件的持久极限表面磨光试样的持久极限表面磨光试样的持久极限构件的表面质量越高，

17、持久极限越高构件的表面质量越高，持久极限越高构件的表面质量越高，持久极限越高构件的表面质量越高，持久极限越高尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；综合以上影响系数，使得构件的持久极限低于材料的持久极限综合以上影响系数，使得构件的持久极限低于材料的持久极限表面腐蚀影响；表面腐蚀影响；表面强化影响；表面强化影响；另外，对于具体的构件还应考虑：另外，对于具体的构件还应考虑：工作环境工作环境工作温度等工作温度等一一、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:115 对称循环下构

18、件疲劳强度计算对称循环下构件疲劳强度计算对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件的的安安全全系系数数法法旋转碳钢轴上，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，轴表面经过精，轴表面经过精车，车，b=600MPa，1=250MPa，规定规定 n=1.9，试校核轴的试校核轴的强度。强度。确定危险点应力及循环特征确定危险点应力及循环特征为对称循环f70f50r=7.5MM 强度校核强度校核 求求K：求求 ：查图得：查图得查图得求求 ：表面精车，：表面精车，=0.94安全 通过疲劳实验可求得不同循环特征下的持久极限曲线；利用曲线，可确定 11116 6 持久极限曲线持久极限

19、曲线NmaxN0r=0.25r=0r=-1建立以平均应力为横轴，应力幅为纵轴的坐标系建立以平均应力为横轴，应力幅为纵轴的坐标系OP射线的斜率为 maP循环特征循环特征 r相同的点在同一条射线上；相同的点在同一条射线上；故射线上存在一个由持久极限故射线上存在一个由持久极限r r确定的临界点。确定的临界点。对给定的对给定的r，如果，如果 ，则不会出现疲劳失效则不会出现疲劳失效;a+m=rmaACB故故C点对应脉动循环的持久极限点对应脉动循环的持久极限0 0。A点：点：故故B点对应静载的持久极限点对应静载的持久极限b b。考察几个特殊点：考察几个特殊点：故故A点对应对称循环的持久极限点对应对称循环的

20、持久极限-1-1B点：点：C点：点：a+m=rP持久极限曲线持久极限曲线工程中，常用折线工程中，常用折线ACB代替原来的持久极限曲线。代替原来的持久极限曲线。mO(0/2，0/2)b-1BAC117 非对称循环下的疲劳强度计算非对称循环下的疲劳强度计算实际构件的持久极限曲线实际构件的持久极限曲线mO(0/2，0/2)bBACD除了满足疲劳强度条件，构件危险点的应力还应低于屈除了满足疲劳强度条件，构件危险点的应力还应低于屈服应力，即：服应力，即：故构件不发生疲劳破坏也不发生塑性变形的区域应是折故构件不发生疲劳破坏也不发生塑性变形的区域应是折线与坐标轴围成的区域。线与坐标轴围成的区域。mObBA(

21、0/2，0/2)CD构件正常工作的安全区构件正常工作的安全区消除或改善各类情况下的应力集中以及提高构件表层的强度。消除或改善各类情况下的应力集中以及提高构件表层的强度。一、减缓应力集中一、减缓应力集中在构件外观设计上尽量避免开空或带尖角的槽；在构件外观设计上尽量避免开空或带尖角的槽；在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆角半径，在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆角半径，降低应力集中。降低应力集中。疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。118 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施f70f50r=7.5减荷槽减荷槽退刀槽退刀槽采用坡

22、口焊接采用坡口焊接二、提高表面质量二、提高表面质量三、改善表层强度三、改善表层强度构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；构件工作时的最大应力往往发生在构件的表面；又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；又由于机械加工时常常在表面留下刀痕；尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；尤其对于高强度钢必须进行精加工才会发挥高强度钢的性能；使用中要注意维护使用中要注意维护防止锈蚀防止锈蚀常常是最大拉应力引起构件的疲劳失效常常是最大拉应力引起构件的疲劳失效;在构件的表面形成一个预在构件的表面形成一个预压应力层压应力层或改善构件表层的或改善构件表层的材质材质滚压、喷丸滚压、喷丸渗入微量元素渗入

23、微量元素可采用热处理、化学处理和机械的方法强化表层。可采用热处理、化学处理和机械的方法强化表层。避免使构件表面受到机械损伤或化学损伤避免使构件表面受到机械损伤或化学损伤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；：无应力集中；B：无明显的塑性变形；：无明显的塑性变形；C：不存在裂纹；：不存在裂纹；D：不存在应力；：不存在应力；3、写出下列交变应力的循环特性、应力幅、平均、写出下列交变应力的循环特性、应力幅、平均应力。应力。906030-3030604、高速运转的钢轴在何处打钢印为宜？、高速运转的钢轴在何处打钢印为宜？PABCDA：AB段；段；B：BC段；

24、段；C：CD段；段；D：到处都可以；：到处都可以；5、在双边带切口的钢板的切口附近钻上、在双边带切口的钢板的切口附近钻上一些大小不等的小孔，与原来不带钻孔的一些大小不等的小孔，与原来不带钻孔的切口钢板相比，其疲劳强度切口钢板相比，其疲劳强度 。A：一定提高；：一定提高；B：一定不变；：一定不变；C：一定降低；：一定降低；D：可能提高，可能降低；：可能提高，可能降低；6、从应力集中的角度看，提高表面光洁度对于提高、从应力集中的角度看，提高表面光洁度对于提高 材料制成的零件的强度效果明显？材料制成的零件的强度效果明显？A：低碳钢；：低碳钢；B：高强钢；：高强钢；C：铸铁；：铸铁；D：软铝；：软铝；

25、7、在相同的交变载荷的作用下，构件的横向尺、在相同的交变载荷的作用下，构件的横向尺寸增大，其：寸增大，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；8、在以下的措施中，、在以下的措施中，会降低构件的持久极限。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：增强构件的表层强度；：增强构件的表层强度；C：加大构件的横向尺寸；：加大构件的横向尺寸；D：减缓构件的应力集中；：

26、减缓构件的应力集中；9、在以下关于理论应力集中系数、在以下关于理论应力集中系数与有效应力集中系数与有效应力集中系数K的说法中，的说法中，是正确的。是正确的。A：理论应力集中系数与材质有关，有效应力集中系数与材质无关：理论应力集中系数与材质有关，有效应力集中系数与材质无关B：理论应力集中系数：理论应力集中系数与材质无关，有效应力集中系数与材质无关，有效应力集中系数K与材质有关；与材质有关；C：理论应力集中系数：理论应力集中系数与材质有关，有效应力集中系数与材质有关，有效应力集中系数K与材质有关；与材质有关；D：理论应力集中系数：理论应力集中系数与材质无关，有效应力集中系数与材质无关，有效应力集中

27、系数K与材质无关；与材质无关；10、简述影响构件持久极限的主要因素、简述影响构件持久极限的主要因素11、交变应力的平均应力为、交变应力的平均应力为m20MPa，应力，应力幅为幅为a50MPa，其循环特性中的，其循环特性中的 最大应力最大应力max ，最小应力，最小应力min ，循环特性，循环特性r 。12、最大弯曲正应力相等的三根材料相同的梁，、最大弯曲正应力相等的三根材料相同的梁，承受交变应力。承受交变应力。（A）是对称循环；）是对称循环；（B）是脉动循环；）是脉动循环；（C）是）是 min 0、a+m0?17、受力、受力P作用的圆轴，在作用的圆轴，在=30度角的范围内往复度角的范围内往复转

28、动，则跨中点截面上转动，则跨中点截面上B点的应力循环为：点的应力循环为：。A：对称循环：对称循环B：脉动循环：脉动循环C：非对称循环：非对称循环BD：静荷：静荷B18、火车轮轴受力情况如图所示。火车轮轴受力情况如图所示。a=500mm，l=1435mm，轮轴中段直径，轮轴中段直径d=15cm。若。若P=50kN，试求轮轴中段截面边缘上任一点的最大应力，最，试求轮轴中段截面边缘上任一点的最大应力，最小应力，循环特征，并作出曲线。小应力，循环特征，并作出曲线。19、阶梯轴如图所示。材料为铬镍合金，、阶梯轴如图所示。材料为铬镍合金，。轴的尺寸是：。轴的尺寸是：d=40mm，D=50mm，r=5mm。求弯曲和扭转时的有效应力集。求弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。中系数和尺寸系数。