项目十二疲劳强度

工程力学项目十二疲劳强度1项目十二构件的疲劳强度概述工程力学项目十二疲劳强度2交变应力的概念交变应力——随时间作交替变化的应力。火车轮轴的受力图和弯矩分别如图a、b所示。(a)FFwdaaFFFaMxO(b)课题12.1交变应力工程力学项目十二疲劳强度3ttIFadIMyzzkwwsinsin2/max可见k随时间t是按正弦规律变化的(图c)。力F和弯矩不随时间变化，但因轴以速度w旋转，使其横截面上任一点k到z轴的距离为t的函数，k点的正应力为tdywsin21234zydktdwsin2工程力学项目十二疲劳强度4ttIFadIMyzzkwwsinsin2/max-t曲线称为应力谱。应力重复变化一次的过程，称为一个应力循环。应力重复变化的次数，称为应力循环次数。1234zydktdwsin2工程力学项目十二疲劳强度5图a中，P为电动机的重量，电动机以等角速度w旋转，F0为因电动机的偏心而产生的惯性力。作用在梁上的铅垂荷载为，F称为交变荷载。ωtFPFsin0最小位移（wt=p/2）最大位移（wt=3p/2）静位移（wt=0）zyk(a)工程力学项目十二疲劳强度6最小位移（wt=p/2）最大位移（wt=3p/2）静位移（wt=0）zyk(a)C截面的弯矩为。C截面上k点的正应力为ltFPMC)sin(410wzzzCkWtlFWPlWM4/sin4/0wzkWtlF4/sin0stw即工程力学项目十二疲劳强度7k随时间t的变化规律如图b所示。工程力学项目十二疲劳强度82.应力幅或minmaxminmax（有时称为应力幅，为应力范围）)(21minmaxaminmax注意：最大应力和最小应力均带正负号。(1)为了表示交变应力中应力变化的情况，引入几个基本参量。maxminr（拉,压,弯曲）或maxminr（扭转）1.循环特征（应力比）工程力学项目十二疲劳强度9max=min(b)tOr=0脉动循环(min=0)(图a)特例：r=1静应力(max=min)(图b)(a)对称循环：r=−1(例1)（max=-min）非对称循环：1r工程力学项目十二疲劳强度10课题12.2交变应力的描述及几个物理量一、交变应力的基本参量工程力学项目十二疲劳强度11工程力学项目十二疲劳强度12二、几种常见的交变应力工程力学项目十二疲劳强度13课题12.3S-N曲线及材料的疲劳极限工程力学项目十二疲劳强度14疲劳破坏——金属构件在长期交变应力作用下所发生的断裂破坏。(1)交变应力中的最大应力达到一定值，但最大应力小于静荷载下材料的强度极限甚至屈服极限，经过一定的循环次数后突然断裂;(2)塑性材料在断裂前也无明显的塑性变形;(3)断口分为光滑区和粗糙区。疲劳破坏的主要特征：工程力学项目十二疲劳强度15(1)疲劳裂纹的形成(2)疲劳裂纹的扩展疲劳破坏的过程:构件中的最大工作应力达到一定值时，经过一定的循环次数后，在高应力区形成微观裂纹——裂纹源。由于裂纹的尖端有高度的应力集中，在交变应力作用下，微观裂纹逐渐发展成宏观裂纹，并不断扩展。裂纹两侧的材料时而张开,时而压紧，形成光滑区。裂纹源光滑区粗糙区工程力学项目十二疲劳强度16疲劳裂纹不断扩展，有效面积逐渐减小，当裂纹长度达到临界尺寸时，由于裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，裂纹以极快的速度扩展从而发生突然的脆性断裂，形成粗糙区。(3)脆性断裂工程力学项目十二疲劳强度17试验表明：在同一循环特征下，交变应力中的max越大,发生疲劳破坏所经历的循环次数N越小，即疲劳寿命越短。反之max越小，N越大，疲劳寿命越长。经过无限次循环不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限。用r表示，r代表循环特征。r与材料变形形式，循环特征有关，用疲劳试验测定。(1)材料的疲劳极限工程力学项目十二疲劳强度18弯曲疲劳试验机一台，标准（规定的尺寸和加工质量）试样一组。记录每根试样发生疲劳破坏的最大应力max和循环次数N。绘出max-N曲线（疲劳寿(2)弯曲对称循环时，-1的测定命曲线），又称为S-N曲线（S代表正应力或切应力）。40cr钢的max-N曲线如图所示。可见max降至某值后，max-N曲线趋于水平。该应力即为-1。图中-1=590MPa。工程力学项目十二疲劳强度19低碳钢：b=400－500MPa(3)条件疲劳极限N0=5×106~1070NrNO弯曲（1）b=170－220MPa拉压（1）t=120－160MPa1r铝合金等有色金属，其-N曲线如图所示，它没有明显的水平部分，规定疲劳寿命N0＝5×106~107时的最大应力值为条件疲劳极限，用表示。0Nr工程力学项目十二疲劳强度20(4)构件的疲劳强度校核材料的疲劳极限是由标准试样测定的。构件的外形,尺寸,表面质量均可能与标准试样不同。一般采用有效应力集中系数Ks,尺寸系数e和表面加工系数b（均由图表可查）,对材料的疲劳极限进行修正得到构件的疲劳极限。即σrrKbeσ)(构件再把构件的疲劳极限除以安全因数得到疲劳许用应力。交变应力的强度条件为最大工作应力≤疲劳许用应力工程力学项目十二疲劳强度21NS疲劳曲线，简称为曲线工程力学项目十二疲劳强度22课题12.4影响构件疲劳极限的主要因素及构件的疲劳强度计算一、影响构件疲劳极限的主要因素1.应力集中的影响工程力学项目十二疲劳强度232.构件尺寸的影响3.表面加工质量的影响称循环下构件的疲劳极限11bekK对称循环扭转交变应力作用时11bekK工程力学项目十二疲劳强度24构件疲劳强度计算方法简介构件在对称循环下的作用应力构件的疲劳强度条件为对称循环扭转交变应力作用时11bekK111benknkK：11maxbenkK工程力学项目十二疲劳强度25在对称循环下，构件疲劳强度计算的基本步骤()KK()ee1．查表确定构件的有效应力集中系数和表面质量β、尺寸系数2．计算构件的最大工作应力()maxmax3．计算构件的工作安全系数()nn，然后用构件的疲劳强度条件进行强度计算。工程力学项目十二疲劳强度261)合理设计构件形状，降低构件的应力集中：课题12.5提高构件疲劳强度的途径工程力学项目十二疲劳强度27在角焊缝处，如采用图12-5-5应力集中程度要比无坡口焊接(图12-5-5(b))改善很多工程力学项目十二疲劳强度28二、提高构件表面的加工质量构件表面越光滑，应力集中就越小，因此适当提高构件表面的光洁度，特别对高强度钢，更为重要，因为它对应力集中较敏感；但若材料对应力集中不敏感，如铸铁构件，就没有必要提高它的表面光洁度。对于构件中最大应力所在的表面采用某些工艺措施，例如表面热处理或化学处理，或对表面层用滚压、喷丸等冷加工方法均可提高构件的疲劳极限，而且效果更为明显。这些方法的共同特点是使构件表层产生残余压应力，减少出现表面细微裂纹的机会，以达到提高疲劳极限的目的。工程力学项目十二疲劳强度29