交变应力与疲劳失效交变应力的循环特征应力共44页

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循环特征 r ： m i n m a x
o
t
m12maxmin a 12maxmin
maxma mi nma
材料力学 第十一章 交变应力
1.对称循环
循环一次
2 max
1
3
1 min
4
r min 1 max
m1 2ma xmin0
t
a1 2m axminmax
如:机车车轴
材料力学 第十一章 交变应力
材料力学 第十一章 交变应力
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。
材料力学 第十一章 交变应力
疲劳失效的特点
构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征： 1）破坏时的最大应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应 力；（必要性） 2）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； 3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料， 也将呈现“突然”的脆性断裂；（危害性） 4）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。 （判断依据）
材料力学 第十一章 交变应力
§11-1 交变应力与疲劳失效
交变应力：构件内随时间作周期性变化的应力。 疲劳与疲劳破坏：结构的构件在交变应力的作用下发生的 破坏现象，称为疲劳破坏，简称疲劳 ①折断一根铁丝的启示
②齿轮啮合时齿根A点的弯曲正应力 随时间作
周期性变化。
材料力学 第十一章 交变应力
③机车车轴
循环一次
2 max
1
3
1 min
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4
车轴每转一周，某点处的材料即经历一次由拉伸到压缩的 应力循环。
材料力学 第十一章 交变应力
④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。
st
st 表示电机的重力W以静载方式作用于梁上引起
的静应力，最大应力和最小应力分别表示梁在最大和 最小位移时的应力。
材料力学 第十一章 交变应力
构件尺寸的影响
构件尺寸越大，疲劳极限越 低。如受扭转大、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。
用尺寸因数 或 表示。
1d 1
或
1d 1
应力—寿命曲线，也称S—N曲线。
1为对称循环时材料的疲劳极限
1
2
O
N 1 N 2 S-N曲线
1
N
材料力学 第十一章 交变应力
§11-4 影响持久极限的因素
1.构件外形的影响 2.构件尺寸的影响 3.构件表面质量的影响
材料力学 第十一章 交变应力
构件外形的影响
构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力 集中。应力集中区易引发疲劳裂纹，使疲劳极限显著降低。
材料力学 第十一章 交变应力
疲劳失效机理
金属材料裂纹
疲劳源
裂纹扩展 光滑区
脆断
粗糙区
材料力学 第十一章 交变应力
疲劳破坏案例1
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。
材料力学 第十一章 交变应力
疲劳破坏案例2
交变应力与疲劳失效交 变应力的循环特征应力
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动机带 动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应力，直至 断裂破坏。
记录每根试件中的最大应力 （名义应力，即疲劳强 度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳寿命）， 即可得S—N应力寿命曲线。
材料力学 第十一章 交变应力
max
max, 1 max, 2
§11-2 交变应力的循环特征、应力幅和 平均应力
应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。 完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个周期。
o
t
材料力学 第十一章 交变应力
a
max
a
min
m
o
max：最大应力
t
m：应力幅度
min：最小应力 a：平均应力
材料力学 第十一章 交变应力
max
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
材料力学 第十一章 交变应力
§11-1 交变应力与疲劳失效 §11-2 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力 §11-3 持久极限 §11-4 影响持久极限的因素 §11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算 §11-6 持久极限曲线 §11-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算 §11-10 提高构件疲劳强度的措施
2.脉动循环 min0
r min 0 max
m1 2maxmin 1 2max a1 2maxmin 1 2max
O
t
材料力学 第十一章 交变应力
3.静载 r min 1 max
m1 2maxminmax a1 2maxmin0
max
O
t
材料力学 第十一章 交变应力
§11-3 持久极限
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
材料力学 第十一章 交变应力
疲劳破坏案例3
1998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳 破坏。
材料力学 第十一章 交变应力
用K有效应11力Kd 集或中因K数 K11或Kd
K 描述外形突变的影响：
且 K 1,K 1
其中： 1d 或 1是d 无应力集中的光滑试件的疲劳极限， 或 1是K 有外 形1突K 变试件的疲劳极限。
பைடு நூலகம்
材料力学 第十一章 交变应力
r / d 越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强 度 b 越高，应力集中队疲劳极限的影响愈显著。
其中：1,1 为光滑小试件 1d,1d为光滑大试件
且 1, 1，d 越大， 越小， r 愈小。
材料力学 第十一章 交变应力
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，降低疲劳极限。