材料力学 交变应力.ppt

§11–１ 概 述 * * 第十一章 交变应力 §11–1 概述 §11–2 交变应力的几个名词术语 §11–3 材料持久限及其测定 §11–4 构件持久限及其计算 §11–5 对称循环下构件的疲劳强度计算 一、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。 折铁丝 P P 目录 目录 动载荷/交变应力 以火车轮轴为例： P P m n A t ? 1 2 3 4 1 A点应力：1-2-3-4-1 ?t A ? 目录 材料在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。 三、疲劳破坏的特点： 1、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形， 且为“突然”断裂，破坏前没有明显的预兆（危害性） 2、疲劳破坏的断口，有明显的光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可 见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩展的弧形线 （判断依据） 3、构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力循环。 4、破坏时的最大应力值远小于静载荷作用下的强度极限 ， 甚至小于屈服极限 。 （必要性） 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。 1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。 疲劳破坏案例1 1981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中 疲劳破坏案例2 1998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏。 疲劳破坏案例3 四、疲劳破坏产生的机理： 交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂 纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表 面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削 弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。 疲劳破坏产生的过程可概括为： 裂纹形成? 裂纹扩展 ? 断裂 二、疲劳破坏的发展过程: 1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。 2.产生微观裂纹。 3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。 4.宏观主导裂纹稳定扩展。 5.结构失稳或完全断裂。 目录 1、应力循环:一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变 化又回到这一数值的一个过程。 t ? T 最大应力： ； 最小应力： ； 平均应力： 应力幅： 循环特征： 且 §11–2 交变应力的几个名词术语 目录 动载荷/交变应力 以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足 具体描述一种交变应力，可用最大应力 和循环应力r， 或用平均应力 和应力幅值 。 2、几种典型的交变应力情况 不稳定的交变应力： 、 不是常量， 为变化的 （不等幅情况）。 稳定的交变应力： 、 均不变， 为常数 （等幅情况）； （1）对称循环：如受弯的车轴 t ? ， （2）非对称循环 ： o （a）脉动循环：如齿轮 t ? （b）静应力：如拉压杆 t ? 例1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 ?a 、?m 和 r。 解： §11–3 材料持久限及其测定 一、材料持久限(疲劳极限)：交变应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，用?r 表示。 二、 ? —N 曲线（应力—寿命曲线）： N0—循环基数。 ?r—材料持久限。 ?A—名义持久限。 N(次数) s NA sA sr N0 目录 §11–4 构件持久限及其计算 一、构件持久限—?r 0 ?r0 与 ?r 的关系： 1. K? —有效应力集中系数： 2. ?? —尺寸系数： 目录 3. ? —表面质量系数： 如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。 对称循环下 ，r=