力学第11章素材.ppt

第十一章 交变应力与疲劳强度 11.1 有关交变应力和疲劳破坏的概念 11.2 对称循环下材料持久极限的测定 11.3 影响构件持久极限的因素 11.4 对称循环下构件的疲劳强度 11.5 非对称循环下构件的疲劳强度计算 11.6 弯扭组合交变应力下构件的疲劳强度计算 11.7 提高构件疲劳强度的措施 11.1 有关交变应力和疲劳破坏的概念 一、交变应力 工程中的某些构件受随时间作周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。 另外有些构件，虽然所受的载荷不变，但由于构件本身在转动，也会使内部各点的应力作周期性变化。 二、交变应力的基本性质 图为一点应力随时间t作周期性变化的曲线，称为应力循环曲线。应力随时间变化规律的基本特性如下： （1）循环特性 （11-1） 循环特性r表示交变 应力的不对称程度。 注意： 公式(11-2)～(11-5)中最大与最小应力是指代数值，拉应力为正，压应力为负。而公式(11-1)中的最大与最小应力是指绝对值。 且规定：若某个应力循环，应力只有大小的改变，而无方向的改变，则r为正值;若应立即有大小的改变又有方向的改变，则r为负值。 因此，对一切交变应力，循环特性r的数值只在-1与+1之间变化。 下面介绍交变应力的几种情况。 对称循环 应力循环中最大应力与最小应力大小相等而方向相反，即　　　　　　，称为对称循环。 对称循环下 脉动循环：　　　　 静应力： 三、疲劳破坏 构件在交变应力下发生的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏的主要特点有： 1)破坏时的最大应力远低于材料的强度极限，甚至显著低于屈服极限，同时构件在一定的交变应力下，经过多次应力循环。（在 －　 数量级才发生破坏） （2）破坏前没有明显的塑性变形，即使是塑性很好的材料，在疲劳破坏时也呈现脆性断裂，并且端口明显分成两个区：光滑区和晶粒状的粗糙区。 （3）疲劳破坏往往没有明显预兆，因而极具危险性。 疲劳破坏的原因: 承载的构件，其上往往会存在一些缺陷。 所以疲劳破坏的产生可用微裂纹的萌生和扩展过程加以简单解释。 四、疲劳强度计算的方法 一方面是计算最大工作应力 ，计算步骤与方法与静载下完全一样； 另一方面，用疲劳试验测出材料（光滑小试件）的疲劳极限应力——称为持久极限或疲劳极限。 考虑到实际构件与光滑小试件之间尺寸大小、几何形状、表面加工质量、工作环境的影响，引入系数进行休整，得到构件的持久极限，再加上适当的安全储备，就建立起了 疲劳强度条件。 11.2 对称循环下材料持久极限的测定 材料在对称循环下的极限应力是表示材料疲劳强度的一个基本参数。 一、疲劳试验 将表面磨光的光滑小试件装夹在疲劳试验机上，载荷作用下试件中间部分发生纯弯曲，弯矩M=Pa。试件横截面上的最大弯曲应力 试验时，根据上式选择适当载荷，使第一根试件的　　 约等于材料强度极限的60%左右。经过循环次数 后，试件断裂，称为试件的疲劳寿命　。 然后卸去部分载荷，使第二根试件的　　 略低于第一根试件的　　 ，测出第二根试件的疲劳寿命　…这样逐步降低最大应力的数值，得出对每一个　　 的试件的疲劳寿命N。以　　 为纵坐标，N为横坐标，将试验结果描成一曲线，称为疲劳曲线或S-N曲线。 二、材料的持久极限 金属材料在交变应力下，可以测得一个能经受无限此应力循环而不发生破坏的最大应力值，这一最大应力值称为材料的持久极限。 但实际上实验并不能无限持续下去，所以一般规定一个循环次数来代替无限长的疲劳寿命。这个规定的循环次数称为循环基数。在疲劳曲线上所对应的　　就是持久极限。 材料的持久极限用　符号表示（剪切持久极限用　表示），下标r为循环特性。 11.3 影响构件持久极限的因素 一、构件外形突变引起应力集中的影响 构件外形引起的应力集中影响程度，可用对比试验的方法来表示。设在对称循环下没有应力集中的光滑小试件的持久极限为　 ，而有应力集中的试件的持久极限为　 ，两者的比值表示外形应力集中的影响