疲劳强度课件 .ppt

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1、1985年日航波音年日航波音747客机惊心动魄的撞山事件客机惊心动魄的撞山事件-世界民航史上单机发生的最大空难事件世界民航史上单机发生的最大空难事件1985年8月12日晚上7时许日本日本航空公司的一架波音波音747宽体客机，执行国内航线的123正常航班任务。在暮蔼沉沉之中，摇摇晃晃，以45度的倾斜角度撞在群马县境内上野村附近的山岗上，机上509名乘客和15名机组人员仅4人获救外。其余520人全部罹难，这是日本日本民航史上最大空难事件，也是世界民航史上单机发生的最大空难事件、消息传出，日本日本全国震惊，世界各国瞩目。第8章疲劳强度交变载荷下材料的疲劳破坏 构件在交变应力（构件在交变应力（alte

2、rnative alternative stressstress）作用下发生的破坏，称为疲劳失效，简称为作用下发生的破坏，称为疲劳失效，简称为疲劳（疲劳（fatiguefatigue）。对于矿山、冶金、动力、）。对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有在各种机械的断裂事故中，大约有 8080以上以上是由于疲劳失效引起的。是由于疲劳失效引起的。交变载荷交变载荷随时间作周期性变化的载荷随时间作周期性变化的载荷交变应力交变应力随时间作

3、周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力8.1 8.1 概述概述轮轴45号钢，受弯曲交变应力，当max=-min=260MPa时，大约经历107循环即可发生断裂，而45号钢在静载荷下的强度极限是b=600MPa。1.1.疲劳破坏疲劳破坏特点特点1)抵抗断裂的极限应力低抵抗断裂的极限应力低。疲劳破坏是构件在工作应力低于强度极限，甚至低于屈服极限的情况下突然发生的断裂，往往具有突发性。2)破坏有一个过程破坏有一个过程。构件在一定的应力水平下，需要经过一定周次的应力循环次数后，才突然断裂。疲劳破坏疲劳破坏在交变应力作用下构件发生的破坏3)材料呈脆性断裂材料呈脆性断裂。即使是塑性材料，材料在断裂前也无

4、明显的塑性变形。4)疲劳破坏断口，有两个明显区域疲劳破坏断口，有两个明显区域：光滑区与粗糙区，其中粗糙区又称为瞬断区，断口呈颗粒状 1.1.疲劳破坏疲劳破坏特点特点疲劳破坏实例疲劳破坏实例 疲劳源疲劳源疲劳源疲劳源疲劳破坏实例疲劳破坏实例疲劳破坏实例疲劳破坏实例同一疲劳断口，同一疲劳断口，一般都有明显的一般都有明显的光滑区域和颗粒光滑区域和颗粒状区域。状区域。光滑区域光滑区域颗粒状区域颗粒状区域疲劳破坏典型断口疲劳破坏典型断口2.2.疲劳破坏原因疲劳破坏原因：交变应力下材料的累积塑性变形累积塑性变形是疲劳破坏的主要原因。3.3.疲劳破坏过程疲劳破坏过程初始缺陷初始缺陷滑滑 移移滑移带滑移带初始

5、裂纹初始裂纹(微裂纹微裂纹)宏观裂纹宏观裂纹脆性断裂脆性断裂宏观裂纹扩展宏观裂纹扩展（应力集中）应力集中）循环特征（应力比）应力循环 构件在交变应力下工作，应力每重复变化一次。最大应力max、最小应力min平均应力应力幅度最大应力最小应力交变应力要素交变应力要素8.2 8.2 材料的疲劳极限材料的疲劳极限交变应力分类交变应力分类对称循环对称循环交变应力r=-1非对称循环交变应力r-1脉动循环脉动循环交变应力r=0静应力（静应力（静载荷）r=1 (任何交变应力）任何交变应力）=m（静应力）（静应力）+a（对称循环应力）（对称循环应力）交变应力的描述交变应力的描述：max和minm和a8.2.1

6、8.2.1 材料的疲劳极限材料的疲劳极限疲劳极限疲劳极限(持久极限)试件可经无限次应力循环而不发生疲劳破坏，交变应力最大值疲劳极限测定方法1.将被测材料按国家标准加工一组疲劳光滑小试件疲劳光滑小试件，至少7根（直径d=710mm、表面磨光）。2.对这组试件分别在不同的max下施加交变应力（保持循环特征r不变），直到破坏，记录下每根试件破坏前经历的循环次数N（常称为疲劳寿命疲劳寿命）。3.在以横轴为循环寿命，纵轴为应力的坐标系中，将试验所得结果描点并拟合成曲线，该曲线称为疲劳极限曲线或称为曲线（应力应力寿命曲线寿命曲线）。对称循环条件下，疲劳极限值记为对称循环条件下，疲劳极限值记为-1-18.2

7、.1 8.2.1 材料的疲劳极限材料的疲劳极限疲劳极限疲劳极限(持久极限)试件可经无限次应力循环而不发生疲劳破坏，交变应力最大值应力应力疲劳寿命曲线含义疲劳寿命曲线含义：maxr,试件经历有限次循环就破坏maxr,试件经历无限次循环而不发生破坏max=-1,r=-1时材料的疲劳极限一般地，N0=107 一种材料的不同r下的r，在ma坐标系中有一曲线ABC与之对应，即材料的疲劳极限曲线疲劳极限曲线（图）。二、材料的疲劳极限图在ma坐标系中，材料疲劳极限（r，r）有对应点1.对任意一个循环应力max=m+a，在ma坐标系中有一对应点H（m，a）2.OH射线斜率仅与r有关，射线上的点代表循环特征为r

8、的所有循环应力。二、材料的疲劳极限图若任意循环应力max=m+a对应点H（m，a），位于材料疲劳极限曲线ABC内时，即，材料有N=N0=107寿命，不会发生疲劳破坏，max=m+ar，材料有有限次寿命，就会发生疲劳破坏.H（m，a）疲劳极限图的含义疲劳极限图的含义 在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限，得到构件的疲劳劳极限。影响构件疲劳极限的因素:8.3 8.3 构件的疲劳极限构件的疲劳极限8.3.1 8.3.1 构件外形的影响构件外形的影响 由于结构与工艺的要求，工程构件的形状与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会

9、有键槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易形在应力集中的局部区域较易形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材料的疲劳极限成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材料的疲劳极限 。有效应力集中系数试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低尺寸增大将导致疲劳极限降低 8.3.2 8.3.2 构件尺寸的影响构件尺寸的影响 不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极限产生影响。一般说来，构件表面质量较好时，其疲劳极限较高；反之，疲劳构件表面质量较好时，其疲劳极限较高；反之，疲劳极限较低。极限较低。除上述三种影响因素之外，还有一些因素对构件的疲劳极限也有影响，如腐蚀、高温等。这

10、些因素的影响，也可引用一些修正系数予以考虑，其数值可以由设计手册中查到。8.3.3 8.3.3 构件表面加工质量的影响构件表面加工质量的影响对于对称循环，若材料的疲劳极限为则构件的疲劳极限 上式中K（K）是综合影响系数。在综合影响系数中考虑的因素有构件形状，尺寸及表面质量等构件的疲劳极限构件的疲劳极限疲劳强度条件也可以用安全系数表示 构件疲劳强度计算的三类问题疲劳强度校核，截面设计许用载荷计算对称循环疲劳强度设计对称循环疲劳强度设计例例8-1 8-1 机车车轴，承受由车厢传来的载荷F=80kN，轴的材料为45钢，b=500MPa，1=200MPa，指定安全因数n=1.5，试校核截面的疲劳强度。

11、解：解：首先确定有效应力集中因数，由经查有关手册，分别给出有效应力集中因数K=1.55、尺寸因数=0.68、表面加工因数0.96。截面弯矩M=801030.105=8400Nm，W=1203/32mm3，故该车轴符合疲劳强度要求。一、降低应力集中一、降低应力集中 为了降低构件的应力集中，构件的形状设计中要尽量避免出现带有尖角的孔和槽。在截面尺寸的过渡处（如阶梯轴的轴肩处），要采用半径尽可能大的过渡圆角半径尽可能大的过渡圆角。如果由于结构上的原因，无法加大过渡圆角半径时，须在直径较大的轴段上加开减荷槽或退刀槽减荷槽或退刀槽。在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常会产生较大的应力集中，此时也应在轮毂

12、上开减荷槽，并将配合轴径适当加粗。8.4.2 8.4.2 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施二、提高表面质量二、提高表面质量 1.降低构件表面的粗糙度降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求较高的构件，应设法降低其表面的粗糙度，使具有较高的光洁度，对高强度钢尤其如此，此外在装配及使用过程中，也应严防对构件表面的机械损伤或化学损伤。2.提高表面层的强度提高表面层的强度。前已述及，对于工作应力较大的表面，宜采用某些工艺措施，设法提高表面强度、提高表面质量系数，达到提高疲劳强度的效果。但要严格控制工艺过程，避免在提高表面层强度的同时，产生损伤表面、降低疲劳强度的事故。六（12分）图示单元体，已知30Mpa，求1）三个主应力；2）第三和第四强度理论的相当应力。五.（10分）图a示静不定梁，EI=常数，P，a已知；求C处的支座反力。注：图b梁的挠度公式可供参考,中点C的挠度为:fC=-px(3L2-4x2)/(48EI).ABPxL/2CDL/2AB2PaCa2a