交變應(yīng)力講解課件

1、材料力學(xué)第十一章 交變應(yīng)力第十一章 交變應(yīng)力111 概述112 交變應(yīng)力的幾個名詞術(shù)語113 材料持久限及其測定114 構(gòu)件持久限及其計算115 對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計算動荷的分類及其研究方法 構(gòu)件做勻加速運(yùn)動（如圓周運(yùn)動） 加上慣性力 機(jī)械結(jié)構(gòu)中常用 加速度周期變化用振動理論 加速度劇變（如沖擊 t=0.01s） 用能量法 各種機(jī)械中都會遇到 載荷周期變化交變應(yīng)力 11 概 述折鐵絲目錄目錄一、交變應(yīng)力：構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的應(yīng)力隨時間作周期性變化，這 種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。o交變應(yīng)力aaLppFSM火車輪軸簡化為一外伸梁tydPammtydo2134交變應(yīng)力12341maxmint材料在交變應(yīng)力

2、下的破壞，習(xí)慣上稱為疲勞破壞。二、疲勞破壞的特點(diǎn)：1、破壞時，不論是脆性材料和塑性材料，均無明顯的塑性變形， 且為“突然”斷裂，破壞前沒有明顯的預(yù)兆（危害性）2、疲勞破壞的斷口，有明顯的光滑區(qū)及晶粒粗糙區(qū)。在光滑區(qū)可 見到微裂紋的起始點(diǎn)（疲勞源），周圍為中心逐漸向四周擴(kuò)展的弧形線 （判斷依據(jù)）3、構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)。4、破壞時的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于靜載荷作用下破壞時的極限應(yīng)力 （必要性） 因疲勞破壞是在沒有明顯征兆的情況下突然發(fā)生的，極易造成嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械零件，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的構(gòu)件的破壞，大部分屬于疲勞破壞。1979年，美國DE-10型飛機(jī)失事，死亡27

3、0人，原因螺旋槳轉(zhuǎn)軸發(fā)生疲勞破壞，該型號飛機(jī)停飛一年，全面檢修，是設(shè)計問題。疲勞破壞案例11981年初，歐洲北海油田“基爾蘭”號平臺覆滅，死亡123人，原因疲勞破壞，橫梁在海浪的交變應(yīng)力作用下，橫梁承孔邊裂縫，當(dāng)時大風(fēng)掀起7米巨浪，10105噸的浮臺沉沒于大海之中疲勞破壞案例21998年5月，德國高速列車出軌，原因列車大軸發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞案例3三、疲勞破壞產(chǎn)生的機(jī)理： 交變應(yīng)力超過一定的限度，在構(gòu)件上應(yīng)力集中處，產(chǎn)生微裂紋，再向四周擴(kuò)展，形成宏觀裂紋，而不斷擴(kuò)展。擴(kuò)展中裂紋表面摩擦，形成光滑區(qū)；隨著裂紋的擴(kuò)展，形成弧形。當(dāng)表面被削弱至不能承受所加載荷而斷裂，即為脆斷粗糙區(qū)。疲勞破壞產(chǎn)生的

4、過程可概括為：裂紋形成 裂紋擴(kuò)展 斷裂四、疲勞破壞的發(fā)展過程:1.亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而永久損傷形核。2.產(chǎn)生微觀裂紋。3.微觀裂紋長大并合并，形成“主導(dǎo)”裂紋。4.宏觀主導(dǎo)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。5.結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或完全斷裂。交變應(yīng)力目錄疲勞失效的解釋 材料的疲勞失效是在交變應(yīng)力作用下，材料中裂紋的形成和逐漸發(fā)展的結(jié)果具體過程如下：（1）、原因 由于構(gòu)件的形狀變化、材料不均勻、表面加工質(zhì)量等原因，使得構(gòu)件內(nèi)某局部區(qū)域的應(yīng)力偏高，形成高應(yīng)力區(qū)而裂紋尖端處于嚴(yán)重的應(yīng)力集中是導(dǎo)致疲勞失效的主要原因。構(gòu)件長期在交變應(yīng)力的作用下，在最不利或較弱的晶體，沿最大切應(yīng)力作用面形成滑移帶，滑移帶開裂形成微觀裂紋；（2

5、）、微觀裂紋形成分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)溝通，形成宏觀裂紋，此即裂紋萌生的過程。(3)、宏觀裂紋裂紋尖端一般處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，不易出現(xiàn)塑性變形。已形成的宏觀裂紋在交變應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)展，擴(kuò)展是緩慢的并且是不連續(xù)的。因應(yīng)力水平的高低時而持續(xù)，時而停滯，裂紋兩側(cè)時壓、時離，似相互研磨，形成光滑區(qū)。（4）、裂紋擴(kuò)展隨裂紋的擴(kuò)展，構(gòu)件截面逐步削弱，應(yīng)力增大。當(dāng)削弱到一定極限時，應(yīng)力增大到一定程度，在突變的外因（超載、沖擊或振動）下突然斷裂，斷口出現(xiàn)粗糙區(qū)。（5）、脆斷tT一點(diǎn)的應(yīng)力由某一數(shù)值開始，經(jīng)過一次完整的變化又回到這一數(shù)值的一個過程;最大應(yīng)力： 最小應(yīng)力： ；平均應(yīng)力：交變應(yīng)力112 交變應(yīng)

6、力的循環(huán)特性、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力1、交變應(yīng)力的參數(shù)應(yīng)力幅：循環(huán)特征：具體描述一種交變應(yīng)力，可用最大應(yīng)力 和循環(huán)特性r， 或用平均應(yīng)力 和應(yīng)力幅值 。 動載荷/交變應(yīng)力以上五個特征值中，只有二個是獨(dú)立的。滿足具體描述一種交變應(yīng)力，可用最大應(yīng)力 和循環(huán)應(yīng)力r， 或用平均應(yīng)力 和應(yīng)力幅值 。 2、幾種典型的交變應(yīng)力情況不穩(wěn)定的交變應(yīng)力： 、 不是常量， 為變化的 （不等幅情況）。穩(wěn)定的交變應(yīng)力： 、 均不變， 為常數(shù) （等幅情況）；（1）對稱循環(huán)：如受彎的車軸t ，（2）非對稱循環(huán) ：o（a）脈動循環(huán)：如齒輪t（b）靜應(yīng)力：如拉壓桿t例1 發(fā)動機(jī)連桿大頭螺釘工作時最大拉力Pmax =58.3kN，最小

7、拉力Pmin =55.8kN ，螺紋內(nèi)徑為 d=11.5mm，試求 a 、m 和 r。解：交變應(yīng)力 材料在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞失效時所經(jīng)歷的應(yīng) 力循環(huán)次數(shù)，記作 N；113 持久極限疲勞壽命：與 及 r 有關(guān)。一、材料的持久極限在一定的循環(huán)特征 r 下：交變應(yīng)力材料經(jīng)歷無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)仍不發(fā)生疲勞失效的最大應(yīng)力材料持久限(疲勞極限)用r 表示。無限壽命疲勞極限或持久極限材料在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N下，不發(fā)生疲勞失效的最大應(yīng)力值，記作 。有限壽命持久極限： 值是工程材料最常見、最基本的材料性能指標(biāo)之一。 測定該值 的方法如下：試件：機(jī)器：d=7-10mm;表面磨光的小試件6-10 根。疲勞試驗機(jī)（

8、簡支梁式或懸臂梁式）二、材料在純彎、對稱循環(huán)下持久極限的測定試驗裝置步驟：先取 ，經(jīng)過 次循環(huán)后斷裂;再取 （比 減少20-40MPa） ，經(jīng)過 次循環(huán)后斷裂;N1為該組試件的平均值根據(jù)試驗結(jié)果作疲勞強(qiáng)度-壽命曲線-N圖。水平漸近線的縱坐標(biāo)值持久極限N(次數(shù))sNAsAsrN0三、名義持久極限、持久壽命循環(huán)基數(shù)N0：鋼：107有色金屬：108名義持久極限材料在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N0下，不發(fā)生疲勞失效的最大應(yīng)力值(NA A)材料在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N下，不發(fā)生疲勞失效的最大應(yīng)力值材料的持久極限交變應(yīng)力114 影響構(gòu)件持久極限的因素光滑、小試件、實驗室測得構(gòu)件可以經(jīng)受“無數(shù)次”應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞

9、失效的交變應(yīng)力最大值。材料的持久極限r(nóng) 對于同種材料制成的形狀不同、工作環(huán)境不同的具體構(gòu)件，持久極限會相同嗎？構(gòu)件的持久極限與材料的持久極限相比必須考慮一些影響因素；1、構(gòu)件外形引起的影響K稱為的有效應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中f50f40r=5不僅與外形有關(guān)，還與材料有關(guān)應(yīng)力集中會顯著降低構(gòu) 件的持久極限構(gòu)件外形的突變（槽、孔、缺口、軸肩等）引起應(yīng)力集中。 2、構(gòu)件尺寸的影響隨構(gòu)件橫截面尺寸的增大，持久極限會相應(yīng)地降低持久極限是用小試樣測定的，實際構(gòu)件尺寸較大。 3、構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件工作時的最大應(yīng)力往往發(fā)生在構(gòu)件的表面；又由于機(jī)械加工時常常在表面留下刀痕；使得構(gòu)件的表面存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中；構(gòu)

10、件的表面質(zhì)量越高，持久極限越高 =不同表面質(zhì)量構(gòu)件的持久極限表面磨光試樣的持久極限尤其對于高強(qiáng)度鋼必須進(jìn)行精加工才會發(fā)揮高強(qiáng)度鋼的性能；綜合以上影響系數(shù)，使得構(gòu)件的持久極限低于材料的持久極限表面腐蝕影響；表面強(qiáng)化影響；另外，對于具體的構(gòu)件還應(yīng)考慮：工作環(huán)境工作溫度等構(gòu)件的持久極限例2 階梯軸如圖，材料為鉻鎳合金鋼，b=920MPa，1= 420MPa ，1= 250MPa ，分別求出彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)。解：1.彎曲時的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù)由表查尺寸系數(shù)交變應(yīng)力f50f40r=52.扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)用直線插值法由表查尺寸系數(shù)交變應(yīng)力115 對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計算一、對稱循環(huán)的疲勞容許應(yīng)力:二、對稱循環(huán)的疲勞強(qiáng)度條件:交變應(yīng)力目錄例3 旋轉(zhuǎn)碳