第十一章交变应力.pptVIP

本章要点 （1）交变应力的循环特性 （2）材料的持久极限 （3）持久极限的影响因素 （4）疲劳破坏的机理 * §11-1 交变应力及疲劳破坏 目录 §11-2 交变应力的循环特性应力幅度和平均应力 §11-3 材料的持久极限 §11-4 影响构件持久极限的因素 §11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算 §11-6 持久极限曲线及其简化折线 §11-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算 §11-8 弯曲和扭转组合交变应力下构件的疲劳强度计算 §11-10 提高构件疲劳强度的措施 重要概念 交变应力、循环特性、持久极限、疲劳破坏、循环振幅、 循环特征、平均循环应力 §11-1 交变应力及疲劳破坏 大家考虑一下我们的日常所见，即可发现，工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。例如火车的轮轴。 静平衡位置 一、定义： 交变应力：随时间作周期性变化的应力称为交变应力。 疲劳破坏： 在长期重复交变应力下，即使构件名义应力小于屈服极限，也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性变形。这种破坏现象习惯上称为疲劳破坏。 二、交变应力所造成的危害： 飞机、车辆和机器发生的事故中，有很大比例是零部件疲劳失效造成的。如列车轮轴的疲劳破坏会引起列车出轨。汽轮机任一叶片的疲劳破坏将打断整圈叶片，且破坏前无明显征兆，故常常令人防不胜防。 1.断面呈现光滑区和粗糙区两部分。 2.光滑区有明显的裂纹源。 3.粗糙区域与脆性材料构件在静载下脆性破坏的断口相似。 4.因交变应力产生破坏时，最大应力值一般低于静载荷作用 下材料的抗拉(压)强度极限σb，有时甚至低于屈服极限σs 5.材料发生破坏前，应力随时间变化经过多次重复。 三、疲劳破坏构件的特征： 四、疲劳破坏的解释： 由于构件的形状和材料 不均匀等原因，构件某些局 部区域的应力特别高。在长 期交变应力作用下，于上述 应力特别高的局部区域，逐 步形成微观裂纹。裂纹尖端 的严重应力集中，促使裂纹 逐渐扩展，由微观变为宏观 。裂纹尖端一般处于三向拉 伸应力状态下，不易出现塑 性变形。当裂纹逐步扩展到一定限度时，便可能骤然迅速扩展，使构件截面严重削弱，最后沿严重削弱了的截面发生突然脆性断裂。从上述解释与疲劳破坏断面的特征较吻合，故较有说服力。 粗糙区 光滑区 裂纹源 目录 §11-2 交变应力的循环特性 应力幅和平均应力 从应力时间曲线中，可看出：在承受交变应力的构件中，轴中 的弯曲应力每转一周就要从最大值 变到最小值 然后又恢复到最大值，即：轴每转一周，应力就完成一次循环。 像 这样应力每循环一次，就称为一个应力循环。 当 时，我们 称其为对称循环，否则为非对称循环。 ——平均循环应力 ——循环振幅 (应力幅) ——循环特征 上述几个参数是描述交变应力状态下构件的应力变化规 律的几个参数，我们称为循环特性参数。从这几个参数，我 们可很直观地看出构件的应力变化规律。如： (1) 对称循环： (2) 非对称循环： 任一非对称循环都可以看成是静应力 和幅度为 的对称循环叠加的结果。 （3）脉动循环：变动于零到某一最大值之间的交变应力循环，称为脉动循环。 （4）静应力也可以看成是交变应力的一种特例: 目录 §11-3 材料的持久极限（疲劳极限） 如前所述：构件在交变应力下，当最大应力低于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。因此，屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。 一、实验： 把一组相同的试件从高到低加上一定载荷使其承受交变应力，直至其破坏为止，并记下每个试件在破坏前的应力循环次数N。 结果：当r 一定时（实验时取r =-1） (1) 如果 ,试件经过无数次循环而不发生疲劳破坏, 就称 为持久极限。 (2) 如果 破坏。N——即为对应于某一应力水平的持久寿命。 ，发现，试件经过N次循环就会发生疲劳 二、应力——寿命曲线： 根据上述试验的每一个 值，我们可以得到一条 曲线如下图所示： N o ?maxA ?max ?r 讨论： 1.从曲线中可看出：试件断裂前所能经受的循环次数N随 的纵坐标 减小而增大。疲劳曲线最后趋近于水平，其水平渐近线 可用符号 就是材料的持久极限，对于对称循环的持久极限 表示（其角标-1表示对称循环的循环特征