14 交变应力与疲劳损坏.ppt

工作安全因数和强度条件表为 (14.12) 若为扭转交变应力，公式(14.12)应写成 (14.13) 图14.10 解：轴在不变的弯矩M作用下旋转，故为弯曲变形下的对称循环。最大弯曲正应力为 工作安全系数大于规定的安全系数，该轴满足疲劳强度条件 §14-6提高构件疲劳强度的措施 疲劳破坏是由裂纹的扩展引起的。疲劳裂纹的形成主要在应力集中的部位和构件表面。因此，提高疲劳强度主要从减缓应力集中、提高表面质量等方面考虑。 一、减缓应力集中 在设计构件的外形时，要避免出现方形或带有尖角的孔和槽，尽量避免构件外形的急剧变化，以消除或减缓应力集中的影响。例如，对阶梯形圆轴，在尺寸变化的截面处要采用半径足够大的过渡圆角。例如以图14.11中的两种情况相比，（b图）过渡圆弧角半径大于（a图），（b图）的有效应力集中系数比（a图）的有效应力集中系数小。 图14.11 二、提高构件表面加工精度 构件的最大应力一般发生在构件的表层，同时，构件表面又容易留下加工的刀痕、擦伤等缺陷，这些缺陷将引起应力集中，因此，提高表面加工精度可以减少构件表面加工刀痕引起的应力集中对疲劳强度影响。高强度钢对表面粗糙度更为敏感，只有经过精加工，才有利于发挥它的高强度性能。此外，在使用中也应尽量避免使构件表面受到机械损伤(如划伤、打印等)或化学损伤(如腐蚀、生锈等)。 河南理工大学土木工程学院 工程力学 第十四章 交变应力与疲劳破坏 工程力学 第十四章 交变应力与疲劳破坏 §14-1 交变应力与疲劳破坏的概念 §14-2 交变应力的循环特征 第十四章 交变应力与疲劳破坏 §14-3 材料的疲劳极限 §14-4 构件的疲劳极限 §14-5对称循环应力下构件的疲劳强度计算 §14-6 提高构件疲劳强度的措施 §14-1交变应力与疲劳破坏的概念 一、基本概念 1.有些构件在工作过程中，其应力随时间周期性变化，这种应力称为交变应力. 例如，图14.1a所示的简支梁，其上放置重量为W 的电动机，电动机转动时偏心惯性力为H，其竖直分量为 在该竖直方向干扰力作用下，梁将产生受迫振动，梁跨中截面下边缘点处的拉应力将随时间作周期性变化。 取时间t为横坐标，正应力 为纵坐标，可画出该点的应力随时间变化的图线，如图14.1b所示。这种应力随时间变化的图线称为应力谱。 图14.1 构件在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏，疲劳破坏有以下明显特征： （1）破坏时的应力值远小于材料在静载下的强度极限，甚至小于屈服极限。 （2）构件在破坏前和破坏时都没有明显的塑性变形，即使塑性很好的材料，也发生脆性断裂。 （3）在破坏的断口上，一般分为光滑区和粗糙区两部分。如图14.2所示。 图14.2 §14-2交变应力的循环特征 为了进一步讨论交变应力的变化规律，首先介绍有关交变应力中应力情况的基本参量。图14.3表示一般的交变应力随时间变化的过程，从 到 ，应力经历了变化的全过程，又回到原来的数值，称为一个应力循环。完成一个应力循环所需的时间 称为一个周期。 图14.3 应力循环中最小应力与最大应力的比值 ，可用来表示交变应力的变化特征，称为交变应力的循环特征，即 (14-1) 最大应力与最小应力的代数和的二分之一，称为平均应力 (14-2) 最大应力与最小应力的代数差的二分之一，称为应力幅 (14-3) （14-4） 这些量之间存在这样一组关系： 工程中常见的交变应力有以下几种： （1）对称循环。在应力循环中，应力的大小和正负都反复变化。满足： 图14.4 （2）非对称循环。除了对称循环，其它统称非对称循环。在非对称循环中，最大应力与最小应力的数值不相等。如图14.1所示的梁的受迫振动。满足： （3）脉动循环。脉动循环是非对称循环的特例。在应力循环中，仅应力的大小随时间改变，而应力的正负不变。如图14.5a所示的齿轮，轴旋转一周，每个齿啮合一次，每次啮合过程中，齿根处A点的弯曲正应力就从零变化到某一最大值，然后再回到零。轴不停地旋转，4点的弯曲正应力也就不断地重复上述过程。应力随时间变化的曲线如图14.5b所示。此时满足： 图14.5 如果应力循环中的最大应力和最小应力固定不变，这种交变应力称为稳定交变应力。 如果在应力循环中，最大应力与最小应力并不固定，这种交变应力称为不稳定交变应力。 ， 本章仅限于讨论稳定交变应力问题。 其它概念： §14-3 材料的疲劳极限 一、疲劳极限的概念 构件在交变应力下发生疲劳破坏时，其应力小于屈服极限，因而在静载下测定的强度极限或屈服极限已不能表征交变应力下的强度指标。试验表明，试件在给定的交变应力下，必须经历一定的应力循环