第十三章工程力学之交变应力素材.ppt

* §13–1交变应力与疲劳破坏 第十三章 工程力学之交变应力 §13–2交变应力的循环特征、应力幅和平均应力 §13–3对称循环下构件的持久极限 §13–4影响构件持久极限的主要因素 §13–5提高构件抗疲劳能力的措施 §13-1 交变应力与疲劳破坏 一、交变应力 交变应力：随时间作周期性变化的应力 对于矿山、冶金、动力运输、机械及航空航天飞行器等，它们的很多零部件及构件都承受着随时间作周期性变化的应力，即交变应力。 例13-1：图13-1（a）所示火车轮轴，承受由车厢传来的外载荷P，在P力作用下，中间一段处于纯弯曲状态，且有不变的弯矩Pa，如图13-1（b）所示。 火车前进时，设轮轴以等角速度ω旋转，以中间一段某一截面上的A点为研究对象，如图13-1（c）所示。 设t=0时，A在位置1，应力 t时刻 可以看出，轮轴旋转一圈，A的应力变化为 称A经历了一个应力循环,随着轮轴不停的旋转，A点反复经受上述应力循环。所以A点受到的是随时间作周期性变化的应力，即交变应力。 例13-2：如图13-2（a）所示齿轮传动机构中，在啮合力作用下，齿根处的A点承受弯曲。齿轮每转一圈，轮齿就啮合一次，A点就经历一个应力循环，应力循环曲线如图13-2（b）所示。 所以A点同样受到交变应力的作用。 二、疲劳破坏 1、疲劳破坏：构件在交变应力作用下所发生的破坏，称为疲劳破坏，又称疲劳失效，简称疲劳。 2、疲劳破坏的特点 破坏时构件内的最大应力低于材料的强度极限，甚至低于材料的屈服极限。如火车轮轴为45号钢，当σmax=-σmin=260MPa时，大约经历107次应力循环，轮轴就发生疲劳破坏，而45号钢在静载下的强度极限为600MPa。 经过相当长的一段工作时间，即有相当数量的应力循环次数后，构件才发生破坏。 破坏是突然发生的，即使是塑性很好的材料，破坏前也没有明显的塑性变形，就发生突然的脆性断裂。 在破坏的断口上，呈现两个区域： 光滑区和粗糙区，如图13-3所示。 三、疲劳破坏的过程分析 最初的经典理论认为，构件在交变应力的长期作用下，“纤维状结构”的塑性材料变成“颗粒状结构”的脆性材料，因而导致脆性断裂，并称之为“金属疲劳”。但近代金相显微镜观察的结果表明，金属材料的结构并不因交变应力而发生变化，上述解释并不正确，但“疲劳”这个词却一直沿用至今。 新的疲劳理论认为，疲劳破坏的过程可分为三个阶段： ① 裂纹源的形成 当交变应力的大小超过一定数值时，经过多次应力循环后，构件内结构比较弱的部位及有应力集中的部位，将首先出现微观裂纹（裂纹长度一般为10-7m~10-4m），分散的微观裂纹经过集结沟通，形成宏观裂纹（裂纹长度大于10-4m），把这些宏观裂纹称为裂纹源。 ② 宏观裂纹的扩展 由于裂纹尖端存在着严重的应力集中，随着交变应力的循环，裂纹逐渐扩展，在扩展过程中，裂纹两边的材料时而分开，时而压紧，相互研磨，形成断口的光滑区。 ③ 脆性断裂 随着裂纹的扩展，当截面残存部分的材料不足以承受外载荷时，构件就在某一次载荷作用下发生突然的脆性断裂，形成断口的粗糙区。 由于构件在发生疲劳破坏时没有明显的塑性变形，裂纹也不易觉察，破坏突然发生，容易造成严重事故。而统计结果表明，在各种设备零部件的断裂事故中，有大约80%是疲劳破坏，而航空零部件的疲劳破坏比例就更高。所以，对承受交变应力的构件必须进行疲劳强度分析，对使用期限中的构件，例如火车轮轴等，要定期进行检修。 §13-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力 一、交变应力的基本参数 交变应力的各个参数是影响构件疲劳破坏的很重要因素，以图13-4所示交变应力为例，来介绍交变应力的基本参数 1、周期： 一个应力循环（从a到b）所用的时间 3、最大应力： 交变应力的最大值。 2、循环特征r：最小应力与最大应力的比值，即 （13-1） 4、最小应力： 交变应力的最小值。 5、平均应力： 最大应力与最小应力代数和的二分之一 （13-2） 6、应力幅： 最大应力与最小应力代数差的二分之一 （13-3） 二、常用的两种特殊的交变应力 1、对称循环交变应力：如图13-1所示火车轮轴所受的交变应力，σmax= -σmin，循环特征 r = -1，把这种交变应力称为对称循环交变应力。 2、脉动循环交变应力：图13-2（b）所示齿根处交变应力的σmin=0，则循环特征 r=0，称为脉动循环交变应力。 §13-3 对称循环下构件的持久极限 一、对称循环下的弯曲疲劳试验 1、试件：将所要测定的材料加工成图135所示、表面光滑的试件10根左右，把这些试件称为光滑小试件。 2、 试验原理及过程：图13-6所示为疲劳试验原理示意图。试验过程