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1、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,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。,折断一根铁丝的启示,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,齿轮啮合时齿根A点的弯曲正应力 随时间作 周期性变化。,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。,机车车轴,电机转子偏心惯性力引起强
2、迫振动梁上的危险点正应力随时间作周期性变化。,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。,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。,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
3、明显的光滑区域与颗粒区域。（判断依据）,疲劳失效机理,疲劳源,裂纹扩展,光滑区,粗糙区,脆断,金属材料裂纹,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3,11-2 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
4、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。,1.对称循环,如:机车车轴,2.脉动循环,3.静载,11-3 持久极限,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SN应力寿命曲线。,应力寿命曲线，也称SN曲线。,S-N曲线,为对称循环时材料的疲劳极限,材料的疲劳极限,有色金属及其合金的应力寿命曲线无明显趋于水平的直线部分。通常规定N0=(5-10)107作为循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。,材料的疲劳极
5、限与强度极限的近似关系：,弯曲：,拉压：,扭转：,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,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。,用有效应力集中因数 或 描述外形突变的影响：,或,其中： 或 是无应力集中的光滑试件的疲劳极限， 或 是有外形突变试件的疲劳极限。,且,越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强度 越高，应力集中队疲劳极限的影响愈显著。,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
6、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。,或,其中： 为光滑小试件 为光滑大试件,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。,用表面质量因数表示,其中： 为表面磨光试件的疲劳极限 为用其它方法加工的构件疲劳极限,表面加工质量愈低， 愈小， 降低愈多。 一般 ，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1的 值。,综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为：,或,其中： ， 是光滑小试件的疲劳极限。,疲劳裂纹主要形成于构件表面和应
7、力集中部位，故提高构件疲劳极限的措施有： （1）减缓应力集中，设计构件外形时，避免出现方形或带有尖角的孔和槽，在截面突变处采用足够大的过渡圆角，（如阶梯轴轴肩设置减荷槽 或退刀槽 ； （2）降低表面粗糙度，对表面进行精加工，避免表面有机械损伤和化学损伤（如腐蚀）； （3）增加表面强度，通过高频淬火、渗碳、渗氮或液压喷丸进行处理。,11-5 对称循环下构件的疲劳强度计算,对称循环交变应力下，构件的疲劳强度条件为：,其中： 是构件危险点的最大工作应力； n是疲劳安全系数。,或表示成：,同理，对扭转交变应力有：,其中： ， 。,例4-1 机车车轴,P=80kN,45钢，n=1.5,试校核I截面疲劳强度。,解：,该截面疲劳强度足够。,11-6 持久极限曲线,直线AC的斜率：,直线AC的方程：,11-7 不对称循环下构件的疲劳强度计算,直线AC：,那么直线 的纵坐标：,构件工作时，若危险点的应力循环由点 表示,构件工作安全系数,构件工作安全系数,对于塑性材料制成的构件,除应满足疲劳强度外,危险点的应力不应超过屈服极限.,疲劳强度计算,一般强度计算,其中：,例4-3 试校轴的疲劳强度,解：,11-10 提高构件疲劳强度的措施,一、减缓应力集中,二、减小表面粗糙度,三、增加表面强度,