交变应力和疲劳强度.ppt

二、交变应力与疲劳失效 * * 强度问题分为静（应力）强度和变应力（疲劳）强度两个范畴。 一、静强度 通常认为：在机械零件的整个工作寿命期间内，应力性质、大小和方向不变（或变化次数小于103）的零件，均按静应力强度进行设计。 静应力作用下零件的失效，如断裂或塑性变形等是瞬时出现的，即当零件中的应力超过了材料的强度极限或屈服极限时就发生失效，具有“突然性”。 第八节 交变应力和疲劳强度 脆性材料 塑性材料 { 强度够的准则 基本准则 1、交变应力 构件内一点处的应力随时间作周期性变化,这种应力称为交变应力. A F t s Ｏ 2、变应力产生的原因 1.载荷做周期性变化 2.载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化 3、变应力及其基本变化规律 五个变应力参数： O t σmax σmin σm σa σmax — 最大应力 σmin — 最小应力 σm — 平均应力 σa — 应力幅 r — 变应力循环特性 可按五个变应力参数的不同将变应力分为： 变应力： 在零件的整个工作寿命期间内，应力性质、大小和方向随时间而变，可用应力循环线图表示：σ-t σ 对称循环变应力 σm= 0 r = -1 σmin= 0 r = 0 脉动循环变应力 非对称循环变应力 -1 r 0 0 r 1 t O σ r＝+1 静应力 变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力； 变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。 此外，还有随机变应力。 可看作循环变应力的特例！ σm=σmax= σmin t O σ 5、疲劳破坏和疲劳强度 1) 疲劳破坏 材料在长期作用下变应力的破坏即疲劳破坏，疲劳破坏有一个发生和发展的过程。 失效机理是：当多次重复变化的应力超过了零件材料的疲劳极限时，首先在该部位出现初始微细裂纹，随后裂纹逐渐蔓延扩展，使零件断面的受力有效面积逐渐减小，达到一定程度后，最终导致断裂。 断口特征： 表面光滑区和粗粒状区。 Fn 疲劳破坏 材料在交变应力作用下的破坏习惯上称为疲劳破坏 （1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度 极限值,有时甚至低于材料的屈服极限. （2）无论是脆性还是塑性材料,交变应力作用下均表现为脆性断裂,无明显塑性变形. （3）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分. 1.疲劳破坏的特点 材料发生破坏前,应力随时间变化经过多次重复,其循环次数与应力的大小有关.应力愈大,循环次数愈少. 裂纹源 光滑区 粗糙区 用手折断铁丝,弯折一次一般不断,但反复来回弯折多次后,铁丝就会发生裂断,这就是材料受交变应力作用而破坏的例子. 因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的,极易造成严重事故.据统计,机械零件,尤其是高速运转的构件的破坏,大部分属于疲劳破坏. （1）裂纹萌生 在构件外形突变或材料内部缺陷等部位,都可能产生应力集中引起微观裂纹.分散的微观裂纹经过集结沟通,将形成宏观裂纹. （2）裂纹扩展 已形成的宏观裂纹在交变应力下逐渐扩展. （3）构件断裂 裂纹的扩展使构件截面逐渐削弱,削弱到一定极限时,构件便突然断裂. 疲劳过程一般分三个阶段 2) 疲劳曲线和零件疲劳极限应力的确定(1）材料的疲劳曲线 σ—N 曲线(称为材料的疲劳曲线) 材料的疲劳实验:在标准试件上加上一系列特定循环特性Υ (Υ=-1或Υ=0)的等幅变应力,并以循环的最大应力表示材料的疲劳极限应力: ,经过一段时间后试件将会发生疲劳破坏,并记下疲劳破坏前一系列应力的循环次数N,作坐标如下左图示: 当最大应力降低至某一值后,S-N 曲线趋一水平,表示材料可经历无限次应力循环而不发生破坏,相应的最大应力值 ?max 称为材料的疲劳极限或耐劳极限.用 ?r 表示. ?-1 ?max，1 N1 1 ?max，2 N2 2 N ?max 测定方法 将材料加工成最小直径为 7～10mm,表面磨光的试件,每组试验包括 6 ～10根试件. 在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限技术上较简单. 对于铝合金等有色金属, S-N 曲线通常没有明显的水平部分,通常规定一个循环基数，一般规定疲劳寿命N0 = 108时的最大应力值为“条件”疲劳极限 . F F F F a a 第二根试件 第一根试件 N1 N2 略小于 ?-1 ?max，