機械基礎第十七章

機械基礎課件第十七章第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日本章研究構(gòu)件在載荷作用下其內(nèi)部的內(nèi)力和應力隨時間不斷變化的情況。學習時要了解動載荷的概念，能夠計算慣性力存在時的動力系數(shù)并進行強度校核，同時明確有關交變應力、疲勞破壞與持久極限的知識。教學目的和要求第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日動載荷的概念及動載荷條件下的強度計算；疲勞破壞；持久極限。教學重點第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日動載荷條件下的強度計算；疲勞破壞的成因及其特點。教學難點第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)動載荷載荷不隨時間變化（或變化極其平穩(wěn)緩慢）且使構(gòu)件各部件加速度保持為零（或可忽略不計），此類載荷為靜載荷。用Nj表示，與之相應的應力稱為靜應力，用σj表示。載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。用Nd表示，與之相應的應力稱為動應力，用σd表示。第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日如圖所示的起重吊車，其吊索吊著重物以等加速度a向上運動。若吊索的截面面積為A，單位體積重量為γ，物體的重量為Q。求繩索在距下端x處的截面上的軸力。取脫離體受力分析軸力物體重力繩索自重慣性力第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日由令靜荷載在吊索距下端x處截面上引起的內(nèi)力

動力系數(shù)強度條件則第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日例17-1

一滑輪起吊裝置如圖所示，已知被提升的物體重量Q=40kN，上升時的最大加速度a=5m/s2，繩索的許用拉應力σ=90MPa。繩索本身的質(zhì)量忽略不計。試確定繩索的橫截面面積A。

解

（1）確定動內(nèi)力。動力系數(shù)第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日（2）確定繩索的橫截面面積A。由強度條件式有

故繩索的橫截面面積為

在計算動力問題時，需要注意的是對不同類型的動力問題，其動力系數(shù)μ是不同的。第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日交變應力

構(gòu)件內(nèi)一點處的應力隨時間作周期性變化，這種應力稱為交變應力。第二節(jié)交變應力與疲勞破壞一、交變應力和疲勞破壞的概念第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日折鐵絲PP疲勞破壞金屬材料若長期處于交變應力下，在最大工作應力遠低于材料的屈服強度，且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下，也有可能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，習慣上稱為疲勞破壞。第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日二、交變應力作用下疲勞破壞的特點（1）構(gòu)件破壞時的最大工作應力值往往遠低于材料在靜荷載作用下的極限應力。（2）構(gòu)件在交變應力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的應力循環(huán)。（3）構(gòu)件材料即使是韌性材料，疲勞破壞也是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的，在破壞前也沒有明顯的塑性變形預兆，呈現(xiàn)出的脆性破壞的特征。（4）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。第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日(1)

疲勞裂紋的形成。(2)

疲勞裂紋的擴展。三、引起疲勞破壞的原因

構(gòu)件中的最大工作應力達到一定值時，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在高應力區(qū)形成微觀裂紋即裂紋源。

由于裂紋的尖端有高度的應力集中，在交變應力作用下，微觀裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，并不斷擴展。裂紋兩側(cè)的材料時而張開,時而壓緊，形成光滑區(qū)。第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日

疲勞裂紋不斷擴展，有效面積逐漸減小，當裂紋長度達到臨界尺寸時，由于裂紋尖端處于三向拉伸應力狀態(tài)，裂紋以極快的速度擴展從而發(fā)生突然的脆性斷裂，形成粗糙區(qū)。（3）脆性斷裂。應力重復變化一次的過程，稱為一個應力循環(huán)。應力重復變化的次數(shù)，稱為應力循環(huán)次數(shù)。平均應力應力幅第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)持久極限一、疲勞試驗幾個概念（1）持久極限。標準試件經(jīng)過無窮多次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最大應力值，稱為該材料的持久極限。持久極限也稱疲勞極限。（2）條件持久極限。規(guī)定標準試件在一定循環(huán)次數(shù)下不破壞時的最大應力，稱為條件持久極限（或名義持久極限）。（3）應力壽命曲線。表示一定循環(huán)特征下標準試件的疲勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線，稱應力壽命曲線，也稱σ-N曲線。第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日σ-N曲線疲勞實驗裝置第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日二、影響持久極限的因素1）構(gòu)件外形的影響

構(gòu)件外形的突變處（槽、孔、缺口、裂紋等）會引起應力集中現(xiàn)象，在應力集中區(qū)域極易引發(fā)疲勞裂紋，會使構(gòu)件的持久極限顯著降低。

2）構(gòu)件尺寸的影響

尺寸越大，持久極限越低。大試件中處于高應力狀態(tài)的晶粒比小試件的多，故引發(fā)疲勞裂紋的機會也多，從而降低了構(gòu)件的持久極限。

3）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件表面的加工缺陷（如劃痕、擦傷等）將引起應力集中，而最大應力又常發(fā)生在表層，疲勞裂紋也多生成于表層，降低了構(gòu)件的持久極限。

第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日三、提高構(gòu)件疲勞強度的措施（1）減緩構(gòu)件應力集中現(xiàn)象。盡量避免在構(gòu)件上設計有方形或帶有尖角的孔和槽；在截面突變處采用足夠大的過渡圓角，使截面緩慢變化。設置減荷槽或退刀槽等。（2）降低構(gòu)件表面粗糙度。加工時盡量避免使構(gòu)件表面受到機械損傷或化學損傷（如腐蝕等），出現(xiàn)劃痕或凹坑。（3）增加構(gòu)件表層的強度?？刹捎脽崽幚?、滲碳、氮化等機械和化學處理方法來強化表層，使表層強度提高，以提高構(gòu)件的疲勞強度。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日本章小結(jié)1.構(gòu)件在作等加速度直線運動時，動載荷系數(shù)為構(gòu)件在動載荷作用下的強度條件為2.隨時間作交替變化的應力，稱為交變應力。金屬材料若長期處于交變應力下，在最大工作應力遠低于材料的屈服強度，且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下，也有可能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，習慣上稱為疲勞破壞。

第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日本章小結(jié)3.標準試件經(jīng)過無窮多次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最