材料力學(xué)課件11

1、1第十一章第十一章交交 變變 應(yīng)應(yīng) 力力2本章內(nèi)容本章內(nèi)容:1 交變應(yīng)力與疲勞失效交變應(yīng)力與疲勞失效2 交變應(yīng)力的循環(huán)特征，應(yīng)力幅和交變應(yīng)力的循環(huán)特征，應(yīng)力幅和平均應(yīng)力平均應(yīng)力3 持久極限持久極限4 影響持久極限的因素影響持久極限的因素5 對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算6 持久極限曲線持久極限曲線33 持久極限持久極限4 影響持久極限的因素影響持久極限的因素5 對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算6 持久極限曲線持久極限曲線 7 不對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算不對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 8 彎扭組合交變應(yīng)力的強(qiáng)度計(jì)算彎扭組合交變應(yīng)力的強(qiáng)度計(jì)算

2、9 變幅交變應(yīng)力變幅交變應(yīng)力10 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施411. 1 交變應(yīng)力與疲勞失效交變應(yīng)力與疲勞失效1 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 構(gòu)件內(nèi)隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力。構(gòu)件內(nèi)隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力。l 例子例子u 齒輪根部齒輪根部u 火車輪軸火車輪軸5u 電機(jī)偏心轉(zhuǎn)子引起梁的振動(dòng)電機(jī)偏心轉(zhuǎn)子引起梁的振動(dòng)62 疲勞失效疲勞失效 構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱為為疲勞失效疲勞失效，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱疲勞疲勞。l 例子例子 7l 例子例子 893 疲勞失效的疲勞失效的特點(diǎn)特點(diǎn) 1 1）構(gòu)件長(zhǎng)期在交變應(yīng)力下工作，雖然最大工作）構(gòu)件

3、長(zhǎng)期在交變應(yīng)力下工作，雖然最大工作應(yīng)力低于屈服極限，也會(huì)發(fā)生突然斷裂；應(yīng)力低于屈服極限，也會(huì)發(fā)生突然斷裂；2）交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞，需要經(jīng)過(guò)一定）交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞，需要經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)；數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)；3）構(gòu)件在破壞前沒(méi)有明顯的塑性變形預(yù)兆，即）構(gòu)件在破壞前沒(méi)有明顯的塑性變形預(yù)兆，即使韌性很好的材料，也呈現(xiàn)脆性斷裂；使韌性很好的材料，也呈現(xiàn)脆性斷裂；4）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區(qū)域與顆粒區(qū)域。區(qū)域與顆粒區(qū)域。104）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區(qū)域與顆粒區(qū)域。區(qū)域與顆粒區(qū)域

4、。4 疲勞失效的疲勞失效的機(jī)理機(jī)理 114 疲勞失效的疲勞失效的機(jī)理機(jī)理 交變應(yīng)力交變應(yīng)力突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區(qū)突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區(qū)晶格位錯(cuò)晶格位錯(cuò)位錯(cuò)聚集位錯(cuò)聚集微觀裂紋微觀裂紋滑移帶滑移帶宏觀裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋擴(kuò)展，形成斷口的光滑區(qū)宏觀裂紋擴(kuò)展，形成斷口的光滑區(qū)1211. 2 交變應(yīng)力的循環(huán)特征，應(yīng)力幅和交變應(yīng)力的循環(huán)特征，應(yīng)力幅和平均應(yīng)力平均應(yīng)力l 應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán) 按正弦規(guī)律變化的交變應(yīng)力如圖所示。按正弦規(guī)律變化的交變應(yīng)力如圖所示。maxminrl 循環(huán)特征循環(huán)特征 (應(yīng)力比應(yīng)力比)l 平均應(yīng)力平均應(yīng)力13maxminrl 循環(huán)特征循環(huán)特征 (應(yīng)力比應(yīng)力比)l

5、平均應(yīng)力平均應(yīng)力)(21minmaxml 應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值)(21minmaxal 對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)max 與與 min 大小相等，符號(hào)相反的應(yīng)力大小相等，符號(hào)相反的應(yīng)力循環(huán)。循環(huán)。14l 對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)max 與與 min 大小相等，符號(hào)相反的應(yīng)力大小相等，符號(hào)相反的應(yīng)力循環(huán)。循環(huán)。對(duì)于對(duì)于對(duì)稱循環(huán)，對(duì)稱循環(huán)，rma10max有：有：u 除對(duì)稱循環(huán)以外的循環(huán)，都稱為除對(duì)稱循環(huán)以外的循環(huán)，都稱為不對(duì)稱循環(huán)不對(duì)稱循環(huán)。min =0 ( 或或 max =0)的循環(huán)，稱為脈動(dòng)的循環(huán)，稱為脈動(dòng)循環(huán)。循環(huán)。l 脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)15l 脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)min =0 ( 或或 max =0)的循環(huán)，稱為脈

6、動(dòng)的循環(huán)，稱為脈動(dòng)循環(huán)。循環(huán)。對(duì)于脈動(dòng)對(duì)于脈動(dòng)循環(huán)，循環(huán)，rma0max21有：有：max21或：或：rma,21minmin2116對(duì)于脈動(dòng)對(duì)于脈動(dòng)循環(huán)，循環(huán)，rma0max21有：有：max21或：或：rma,21minmin21l 交變應(yīng)力的特例交變應(yīng)力的特例 靜應(yīng)力靜應(yīng)力對(duì)于對(duì)于靜應(yīng)力，靜應(yīng)力，rma, 1max有：有：0,min1711. 3 持久極限持久極限持久極限持久極限 是疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。是疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。l 持久極限持久極限l 持久極限由持久極限由疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)確定確定u 疲勞試樣（光滑小試樣）疲勞試樣（光滑小試樣） 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)無(wú)窮多次無(wú)窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞失應(yīng)

7、力循環(huán)而不發(fā)生疲勞失效時(shí)的效時(shí)的最大最大應(yīng)力值應(yīng)力值。又稱為又稱為疲勞極限疲勞極限。18l 持久極限由持久極限由疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)確定確定u 疲勞試樣（光滑小試樣）疲勞試樣（光滑小試樣）u 彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備19u 彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備u 這樣做的試驗(yàn)是這樣做的試驗(yàn)是對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)的情況。的情況。l 應(yīng)力應(yīng)力 壽命曲線（壽命曲線（S-N曲線）曲線）20l 應(yīng)力應(yīng)力 壽命曲線（壽命曲線（S-N曲線）曲線） -1N 在某一在某一應(yīng)力水平應(yīng)力水平下下疲勞失效時(shí)疲勞失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)，的循環(huán)次數(shù)，也稱為也稱為壽命壽命。對(duì)稱循環(huán)時(shí)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的持久極限的持久極限用用 -1 表示。表

8、示。u 條件條件持久極限持久極限 對(duì)鋼材，循環(huán)次數(shù)達(dá)到對(duì)鋼材，循環(huán)次數(shù)達(dá)到107時(shí)的時(shí)的持久極限。持久極限。21 -1u 條件條件持久極限持久極限對(duì)鋼材，為循環(huán)對(duì)鋼材，為循環(huán)次數(shù)達(dá)到次數(shù)達(dá)到 107 時(shí)時(shí)的持久極限。的持久極限。對(duì)有色金屬等沒(méi)對(duì)有色金屬等沒(méi)有有水平漸進(jìn)線水平漸進(jìn)線的的材料，為循環(huán)次材料，為循環(huán)次數(shù)達(dá)到數(shù)達(dá)到108時(shí)的持久極限。時(shí)的持久極限。22l 不同循環(huán)特征的不同循環(huán)特征的 S - N 曲線曲線2311. 4 影響持久極限的因素影響持久極限的因素1 構(gòu)件外形的影響構(gòu)件外形的影響構(gòu)件外形突然變化構(gòu)件外形突然變化應(yīng)力集中應(yīng)力集中使持久極限使持久極限顯著降低顯著降低24l 外形突變

9、影響的描述外形突變影響的描述 有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)為：對(duì)稱循環(huán)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)為：k1d1)()(kk1d1)()(k對(duì)扭轉(zhuǎn)對(duì)扭轉(zhuǎn):其中，其中，(-1)d , (-1)d , 表示無(wú)應(yīng)力集中的光滑試表示無(wú)應(yīng)力集中的光滑試樣的持久極限；樣的持久極限；(-1)k , (-1)k , 表示有應(yīng)力集中的相同尺表示有應(yīng)力集中的相同尺寸的試樣的持久極限。寸的試樣的持久極限。顯然，有：顯然，有：, 1k1kl k、k 的確定的確定值越大說(shuō)明應(yīng)力值越大說(shuō)明應(yīng)力集中的影響越大集中的影響越大25u 有臺(tái)階圓軸的有臺(tái)階圓軸的 k （I） ( 圖圖13.8 a )l k、k

10、 的確定的確定u 查曲線或表格查曲線或表格u 由理論由理論應(yīng)力集中系數(shù)估算應(yīng)力集中系數(shù)估算26u 有臺(tái)階圓軸的有臺(tái)階圓軸的 k （II）27u 有臺(tái)階圓軸的有臺(tái)階圓軸的 k （III）28u 可以看出：可以看出：K D/d 越大，越大， k 就就越大；越大；K 材料的強(qiáng)度越大材料的強(qiáng)度越大(b 越大越大), k 就就越越大；大；K 圓角半徑越大，圓角半徑越大， k 就就越小。越小。29u 有臺(tái)階圓軸的有臺(tái)階圓軸的 k（I）30u 有臺(tái)階圓軸的有臺(tái)階圓軸的 k（II）K 對(duì)對(duì) k 的的影響因影響因素和規(guī)素和規(guī)律與對(duì)律與對(duì) k 的的影響因影響因素和規(guī)素和規(guī)律相同。律相同。31u 螺紋、鍵槽、鍵與橫

11、孔的螺紋、鍵槽、鍵與橫孔的 k 材料的強(qiáng)度越大材料的強(qiáng)度越大(b 越大越大), k 就就越大；越大；32u 鍵、鍵槽與橫孔的鍵、鍵槽與橫孔的 k 1 矩形花鍵矩形花鍵2 漸開線花鍵漸開線花鍵3 鍵槽鍵槽4 橫孔橫孔25. 005. 00dd332 構(gòu)件尺寸的影響構(gòu)件尺寸的影響試驗(yàn)測(cè)定持久極限用的是光滑小試樣，其持久試驗(yàn)測(cè)定持久極限用的是光滑小試樣，其持久極限值比光滑大試樣的要大。極限值比光滑大試樣的要大。34l 尺寸影響的描述尺寸影響的描述 尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的尺寸系數(shù)為：對(duì)稱循環(huán)時(shí)的尺寸系數(shù)為：1d1)(1d1)(對(duì)扭轉(zhuǎn)對(duì)扭轉(zhuǎn):其中，其中，( -1)d , ( -1)d 表示光滑表示

12、光滑大大試樣試樣的持久極的持久極限；限； -1 , -1 表示光滑表示光滑小小試樣試樣的持久極的持久極限。限。顯然，有：顯然，有：, 11l 、 的確定的確定35l 、 的確定的確定 查表查表363 構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件中的最大應(yīng)力常發(fā)生于表層，疲勞裂紋也構(gòu)件中的最大應(yīng)力常發(fā)生于表層，疲勞裂紋也多生成于表層。故構(gòu)件多生成于表層。故構(gòu)件表面表面的加工缺陷的加工缺陷(劃痕、劃痕、擦傷）等將引起擦傷）等將引起應(yīng)力集中應(yīng)力集中，降低持久極限。，降低持久極限。l 表面質(zhì)量影響的描述表面質(zhì)量影響的描述 表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的對(duì)稱循環(huán)時(shí)的表面質(zhì)量表面質(zhì)量系數(shù)為：系數(shù)為：d1

13、1)()(其中，其中，( -1)d 表示表面磨光試樣的持久極限；表示表面磨光試樣的持久極限；( -1) 表示其它加工時(shí)試樣的持久極限表示其它加工時(shí)試樣的持久極限.37l 表面質(zhì)量影響的描述表面質(zhì)量影響的描述 表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的對(duì)稱循環(huán)時(shí)的表面質(zhì)量表面質(zhì)量系數(shù)為：系數(shù)為：d11)()(其中，其中，( -1)d 表示表面磨光試樣的持久極限；表示表面磨光試樣的持久極限；( -1) 表示其它加工時(shí)試樣的持久極限表示其它加工時(shí)試樣的持久極限.當(dāng)表面質(zhì)量低于磨光試樣時(shí)，有：當(dāng)表面質(zhì)量低于磨光試樣時(shí)，有：1l 的確定的確定u 不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數(shù)不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數(shù) 查表查表38u 不同不同表面粗糙度表面粗糙度的表面質(zhì)量系數(shù)的表面質(zhì)量系數(shù)u 不同不同表面強(qiáng)化方法表面強(qiáng)化方法的表面質(zhì)量系數(shù)的表面質(zhì)量系數(shù)39u 不同不同表面強(qiáng)化方法表面強(qiáng)化方法的表面質(zhì)量系數(shù)的表面質(zhì)量系數(shù)404 構(gòu)件構(gòu)件的持久極限的持久極限綜合以上三種因素，在對(duì)稱循環(huán)下，就可由光綜合以上三種因素，在對(duì)稱循環(huán)下，就可由光滑小試樣的持久極限得到滑小試樣的持久極限得到構(gòu)件的構(gòu)件的持久極限持久極限：101k對(duì)剪應(yīng)力的對(duì)稱循環(huán)，有：對(duì)剪應(yīng)力的對(duì)稱循環(huán)，有：101k4