交变应力11交变应力与疲劳失效交变应力构件内随时间.doc

第13章 交变应力 §13-1 交变应力与疲劳失效 1．交变应力：构件内随时间作周期性变化的应力，称交变应力。 2．疲劳与疲劳失效：结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的破坏现象，称为疲劳失效，简称疲劳。 3．构件承受交变应力的例子： a．齿轮啮合时齿根点的弯曲正应力 随时间作周期性变化。如图13-1。 b．火车轮轴横截面边缘上点的弯曲正应力 随时间 作周期性变化，如图13-2。 c．电机转子偏心惯性力引起强迫振动梁上的危险点正应力随时间作周期性变化。如图13-3。 4．疲劳失效的特点与原因简述 构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征： 1） 2） 3） 4）-4。 疲劳失效的机理： 交变应力引起金属原子晶格的位错运动→位错运动聚集，形成分散的微裂纹→微裂纹沿结晶学方向扩展（大致沿最大剪应力方向形成滑移带）、贯通形成宏观裂纹→宏观裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展，宏观裂纹的两个侧面在交变载荷作用下，反复挤压、分开，形成断口的光滑区→突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区。 §13-2循环特征 应力幅 平均应力 交变应力有恒幅与变幅之分，现考察按正弦曲线变化的恒幅交变应力 与时间的关系，如图13-5。 1．应力循环：图中应力大小由 到 经历了一个全过程变化又回到原来的数值，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。 2．循环特征或应力比：一个应力循环中最小应力 与最大应力 的比值： 称为交变应力的循环特征或应力比。 3．平均应力： 与 的代数平均值，即 称为平均应力。 4．应力幅：最大应力与最小应力之差的一半，即 ， 不随时间变化的交变应力称恒幅交变应力，否则称变幅交变应力。 5．对称循环：如果 与 大小相等、符号相反，此时的应力循环称为对称循环。对称循环有如下特点： 6．脉动循环：若应力循环中 （ ） 或： 7．交变应力的特例——静应力：这时应力并无变化，有 §13-3持久极限 1．持久极限：标准试件经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，称为该材料的持久极限。持久极限也称疲劳极限。 2．条件持久极限：规定标准试件在一定循环次数下不破坏时的最大应力，称为条件持久极限（） 3．应力寿命曲线：表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，称应力寿命曲线，也称S—N曲线。 曲线是通过专用疲劳试验机，用若干光滑小尺寸专用标准试件测试而得，如图13-6。试件分为若干组，各组承受不同的应力水平，使最大应力值由高到底，让每组试件经历应力循环，直至破坏。记录每根试件中的最大应力 （）（），即可得S—N应力寿命曲线。 §13-4影响持久极限的因素 对称循环的持久极限用 表示。通常针对 ，研究影响持久极限的主要因素：1．构件外形的影响 构件外形的突变（） 或 描述外形突变的影响： 或 其中： 或 是无应力集中的光滑试件的持久极限， 或 是有外形突变试件的持久极限。 工程中已将 或 的数值整理成曲线或表格。此处 、 可分别表示弯曲与扭转的情况。 因 故有 2．构件尺寸的影响 持久极限是用小试件测定的。实际构件尺寸较大。研究表明，尺寸越大，持久极限越低。理由如下：如图13-7所示受扭转大、小二圆截面试件，如二者的最大剪应力相同，则大试件横截面上的高应力区比小试件的大。即大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，故引发疲劳裂纹的机会也多。 光滑小试件对称循环下的持久极限为 ，光滑大试件的持久极限为 ，则比值 称为尺寸系数。对扭转，尺寸系数为 显然有 。对给定尺寸的大试件， 或 可以从有关表格中或曲线图查得。 3．构件表面质量的影响 构件上的最大应力常发生于表层，疲劳裂纹也多生成于表层。故构件表面的加工缺陷（划痕、擦伤）等将引起应力集中，降低持久极限。为计及表面加工质量对持久极限的影响，引入表面质量系数 ： 其中， 是表面磨光试件的持久极限， 为其它加工情形时的构件持久极限。如表面加工质量低于磨光试件时， 。不同表面粗糙度的表面质量系数 可以从有关表格或曲线图中查得。 综合上述三种因素，对称循环下承受正应力构件的持久极限为 如构件承受的是剪应力，则有： 其中，，是光滑小试件的持久极限。 §13-5持久极限曲线 循环特征为 的非对称循环，用 表示持久极限。通过疲劳实验可求得不同循环特征 下的 曲线如图13-8，利用 曲线，如对碳钢试件，在 处（虚线）可得到不同 r 下的 。 若建立以平均应力 为横轴，应力幅 为纵轴的坐标系，则由图13-8中的 r 与 可以求得相应的 与