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1、,第十一章 交变应力,材料力学,第十四章 疲劳强度,111 交变应力与疲劳失效 112 交变应力的几个名词术语 113 材料持久限及其测定,114 构件持久限及其计算 115 对称循环下构件的疲劳强度计算 116 非常温静载下材料力学性能简介,交变应力：随时间周期性变化的应力。,11-1 交变应力与疲劳失效,齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力就是交变应力。,折铁丝,应力循环：交变应力每重复变化一次的过程。,疲劳强度：抵抗疲劳破坏的能力。,疲劳破坏：构件在交变应力的作用下发生的破坏。,1最大工作应力远小于材料强度极限，甚至小于屈服 极限；破坏时的循环次数大约在105107
2、,疲劳破坏的主要特点：,2无论塑性材料还是脆性材料都发生脆性断裂；,3断口具有明显的特征。,交变应力长期作用下由于裂纹萌生、扩展而导致的脆性断裂。,粗糙区,裂纹源,光滑区,高周疲劳,二、疲劳破坏的发展过程:,1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。,2.产生微观裂纹。,3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。,4.宏观主导裂纹稳定扩展。,5.结构失稳或完全断裂。,材料在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。,三、疲劳破坏的特点:,2.断裂发生要经过一定的循环次数,3.破坏均呈脆断,4.“断口”分区明显。 （光滑区和粗糙区）,112 交变应力的几个名词术语,一、循环特征：,三、应力幅：
3、,二、平均应力：,t,s,四、几种特殊的交变应力：,1.对称循环：,s,2.脉动循环：,3.静循环：,五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。,t,s,材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系,一般钢及常用合金钢：,铸钢，可锻铸铁及铜合金,同一种材料在不同 应力循环下的持久极限，对称循环的持久极限最小。,例1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。,解：,113 材料持久限及其测定,一、材料持久限(疲劳极限)： 循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，
4、这个限度值称为“疲劳极限”，用r 表示。,二、 N 曲线（应力寿命曲线）：,N0循环基数。,r材料持久限。,A名义持久限。,114 构件持久限及其计算,一、构件持久限r 0,r0 与 r 的关系：,1. K 有效应力集中系数：,2. 尺寸系数：,3. 表面质量系数：,如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。,对称循环下 ，r= -1 。上述各系数均可查表而得。,例2 阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，1= 420MPa ，1= 250MPa ，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。,解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数
5、,由表查尺寸系数,2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数,应用直线插值法,由表查尺寸系数,115 对称循环下构件的疲劳强度计算,一、对称循环的疲劳容许应力:,二、对称循环的疲劳强度条件:,例3 旋转碳钢轴上，作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表面经过精车， b=600MPa，1= 250MPa，规定 n=1.9，试校核轴的强度。,解： 确定危险点应力及循环 特征,为对称循环,M,M, 强度校核, 查图表求各影响系数，计算构件持久限。,求K：,求 ：查图得,查图得,求 ：表面精车， =0.94,安全,应变循环：交变应变每重复变化一次的过程。,低周疲劳破坏：构件在交变
6、应变的作用下发生的破坏。,1最大工作应力一般超过屈服 极限； 破坏时的循环次数大约在103105,低周疲劳破坏的主要特点：,2一般在塑性材料中发生韧性断裂；,3断口具有明显的特征。,低周疲劳,锆-合金的低周疲劳断口微观形貌图,交变应力长期作用下，由于微裂纹连接导致小裂纹萌生；小裂纹进一步扩展而导致的最终断裂。,采用微机控制电液伺服低周疲劳试验机，可以观察低周疲劳断口微观形貌图。,2、变幅与过载影响裂纹扩展速率 通过对带有环状型切口的#-钢圆棒料在恒幅过载和变幅过载下的低周次疲劳试验，表明变幅递增过载的裂纹扩展速率比恒幅过载裂纹扩展速率显著增大。基于试验事实和断口分析，说明过载时裂纹扩展速率瞬时显著增大是裂纹钝化的结果 。,1、应变速率不同，材料循环变形的机理也不同 在大应变速率疲劳时，材料是切割的变形机制；而在小变形速率疲劳条件下，是类似于蠕变变形的位错攀移机制。当循环次数增加时，发现有循环软化现象，即：外加载荷非对称，应变响应近似对称。,影响低周疲劳破坏的因素,本课结束,