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单辉祖-工程力学 第 16 章 疲劳强度问题 §1 引言 §2 循环应力及其类型 §3 S-N曲线与材料的疲劳极限 §4 影响构件疲劳极限的主要因素 §5 对称循环应力下的疲劳强度计算 §6 累积损伤概念简述 §1 引 言 ? 循环应力 ? 疲劳破坏及其特点 ? 循环应力 ? 疲劳破坏及其特点 §2 循环应力及其类型 ? 循环应力描述 ? 循环应力类型 ? 循环应力描述 ? 循环应力类型 §3 S-N曲线与材料的疲劳极限 ? 疲劳试验 ? S-N曲线与材料的疲劳极限 ? 疲劳试验 ? S-N 曲线与材料的疲劳极限 §4 影响构件疲劳极限的主要因素 ? 构件外形的影响 ? 构件横截面尺寸的影响 ? 构件表面加工质量的影响 ? 构件外形的影响 ? 构件横截面尺寸的影响 ? 构件表面加工质量的影响 §5 对称循环应力下构件的疲劳强度计算 ? 对称循环疲劳强度条件 ? 例题 ? 对称循环疲劳强度条件 ? 例 题 §6 累积损伤概念简介 ? 累积损伤概念 ? 迈因纳定律 ? 累积损伤概念 ? 迈因纳定律 * 本章主要研究: ? 循环应力与疲劳的概念 ? 材料的疲劳强度 ? 构件的疲劳强度与分析计算 ? 提高构件疲劳强度的措施 实例 载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化 每个齿随齿轮转动循环受力,齿内应力循环变化 起落架因飞机起落而反复受载 (载荷不变, 轴转动) 循环应力-随时间循环变化的应力 (也称交变应力) 循环应力的变化幅度,可能是恒定的, 也可能是变化的 循环应力 恒幅循环应力 变幅循环应力 在循环应力作用下,材料或构件产生可见裂纹或完全断裂的现象-称为疲劳破坏,简称疲劳 在循环应力作用下,如果应力足够大,并经历应力的多次循环后,构件将产生可见裂纹或完全断裂 疲劳破坏 疲劳破坏特点 钢拉伸疲劳断裂 ? 破坏时应力低于sb ,甚至 ss ? 即使是塑性材料,也呈现脆性断裂 ? 断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域 断 疲劳破坏过程,可理解为裂纹萌生、逐渐扩展与最后断裂的过程 恒幅循环应力较常见,也是分析变幅循环应力问题的基础 两种描述方式: ? 最大应力 smax 与最小应力smin ? 平均应力sm与应力幅sa 循环应力变化特点,影响材料与构件的疲劳强度 -应力比或循环特征 对称循环应力 脉动循环应力 非对称循环应力-所有 r ? -1 的循环应力 旋转弯曲疲劳试验 采用小尺寸(6~10 mm)光滑标准试样(为一等强梁) 轴向拉压疲劳试验机 ? S-N 曲线 - 应力 S(s 或 t)与相应应力循环数(或寿命) N 的关系曲线 ? 持久极限 - 材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值,用 sr 或tr 表示,r-循环特征 s /MPa s b s s N 钢 s r -持久极限 N0-某指定寿命 -材料疲劳极限或条件疲劳极限 材料的持久极限与疲劳极限,统称为材料的疲劳极限 应力集中促使疲劳裂纹的形成,对构件疲劳强度的影响很大 -存在应力集中试样的疲劳极限 -不存在应力集中试样的疲劳极限 ? R 愈小, Ks 愈大 ? sb 愈高,应力集中 对sr 的影响愈显著 Ks-有效应力集中因数 应尽量减小应力集中,特别对于高强度材料构件 ? 增大圆角半径 ? 减小相连杆段的横向尺寸的差别 ? 将必要的孔与沟槽等配置在低应力区 ? 采用凹槽与卸荷糟等 试验:弯、扭疲劳极限随构件横截面尺寸增大而减小 -标准试样的疲劳极限 -大尺寸试样的疲劳极限 ? d 愈大,sr 降低愈多 ? sb 愈高,sr 降低愈多 es ,et -尺寸因数 最大应力发生在构件表层,构件表面又常存在各种缺陷,故构件表面加工质量与表层状况对疲劳强度存在影响 表面加工质量愈低, sr 降低愈多;sb 愈高,加工质量对sr 的影响愈大 b -表面质量因数 ? 对于重要构件, 尤其存在应力集中的部位, 应特别讲究表面加工方法, 愈采用高 sb 材料, 愈重要 ? 提高构件表层材料的强度、改善表层应力状况,例如渗碳、渗氮、高频淬火、表层滚压与喷丸等 构件疲劳极限与许用应力 构件疲劳强度条件 (轴) (拉压杆与梁) 构件疲劳极限 构件疲劳许用应力 nf-疲劳安全因数 smax , tmax - 最大工作应力(名义应力) [s-1] , [t-1] - 对不同截面一般不同 疲劳强度条件的另一种表示形式: 例 5-1 铬镍合金钢轴,承受对称循环交变弯矩, Mmax = 700 N.m, 校核疲劳强度。D=50 mm,d=40 mm, R = 5 mm, sb = 1200 MPa, s-1 = 480 MPa, nf = 1
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