1、v本章研究構件在載荷作用下其內部的內力和應力隨本章研究構件在載荷作用下其內部的內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，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并進行強度校核，能夠計算慣性力存在時的動力系數并進行強度校核，同時明確有關交變應力、疲勞破壞與持久極限的知同時明確有關交變應力、疲勞破壞與持久極限的知識。識。教學目的和要求教學目的和要求v動載荷的概念及動載荷條件下的強度計算；動載荷的概念及動載荷條件下的強度計算；v疲勞破壞；疲勞破壞；v持久極限。持久極限。教學重點教學重點v動載荷條件下的強度計算；動載荷條件下的強度計算；v疲勞破壞的成

2、因及其特點。疲勞破壞的成因及其特點。教學難點教學難點第一節第一節 動載荷動載荷 載荷不隨時間變化（或變化極其平穩緩慢）且使構件各部載荷不隨時間變化（或變化極其平穩緩慢）且使構件各部件加速度保持為零（或可忽略不計），此類載荷為件加速度保持為零（或可忽略不計），此類載荷為靜載荷靜載荷。用用Nj表示，與之相應的應力稱為表示，與之相應的應力稱為靜應力靜應力，用，用j表示。表示。 載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統產生慣性力），此類載荷為產生慣性力），此類載荷為動載荷動載荷。用用Nd表示，與之相應的表示，與之相應的應力稱為應力稱為動應力動應力

3、，用，用d表示。表示。如圖所示的起重吊車，其吊索吊著重物以等加速度如圖所示的起重吊車，其吊索吊著重物以等加速度a向上向上運動。若吊索的截面面積為運動。若吊索的截面面積為A，單位體積重量為，單位體積重量為 ，物體物體的重量為的重量為Q。求繩索在距下端。求繩索在距下端x處的截面上的軸力。處的截面上的軸力。NdxQaQQ + AxgaAx取脫離體受力分析取脫離體受力分析軸力軸力物體重力物體重力繩索自重繩索自重慣性力慣性力dNQAxQAxag0 x () 1dQAxaNQAxaQAxgg由由令靜荷載在吊索距下端令靜荷載在吊索距下端x處截面上引起的內力處截面上引起的內力 ()jQAxN1djaNNg1a

4、g 動力系數動力系數djNNmaxmax j強度條件強度條件則則例例17-1 一滑輪起吊裝置如圖所示，已知被提升的物體重量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，上升時的最大加速度a=5m/s2，繩索的許用拉應力，繩索的許用拉應力=90MPa。繩索本身的質量忽略不計。試確定繩索的橫截面。繩索本身的質量忽略不計。試確定繩索的橫截面面積面積A。 Q = 40kNa（a）Q = 40kN（b）Nj= 40kNQ = 40kNa（a）Q = 40kN（b）Nj= 40kN解解 （1）確定動內力。 40kjNN5111.519.8ag 動力系數動力系數1.51 40

5、60.4kdjNNN（2）確定繩索的橫截面面積）確定繩索的橫截面面積A。由強度條件式有由強度條件式有 ddNA故繩索的橫截面面積為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，其動力系數題，其動力系數是不同的是不同的。23610671. 0109060400mA交變應力交變應力構件內一點處的應力隨時間作周期性變化，這種應力稱為交構件內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。變應力。第二節第二節 交變應力與疲勞破壞交變應力與疲勞破壞一、交變應力和疲勞破壞的概念一、交變應力和疲勞破壞的概念折鐵絲折鐵絲PPPP

6、疲勞破壞疲勞破壞金屬材料若長期處于交變應力金屬材料若長期處于交變應力下，在最大工作應力下，在最大工作應力遠低于材遠低于材料的屈服強度料的屈服強度，且不產生明顯，且不產生明顯的塑性變形的情況下，也有可的塑性變形的情況下，也有可能發生突然的斷裂。這種破壞，能發生突然的斷裂。這種破壞，習慣上稱為疲勞破壞。習慣上稱為疲勞破壞。 二、交變應力作用下疲勞破壞的特點二、交變應力作用下疲勞破壞的特點（1）構件破壞時的最大工作應力值往往）構件破壞時的最大工作應力值往往遠低于材料在靜荷遠低于材料在靜荷載載作用下的極限應力。作用下的極限應力。（2）構件在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的）構件在交變應力作用下

7、發生破壞需要經歷一定數量的應力循環應力循環。（3）構件材料即使是韌性材料，疲勞破壞也是在沒有明顯）構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生的，在破壞前也沒有明顯的塑塑性變形的情況下突然發生的，在破壞前也沒有明顯的塑性變形預兆，呈現出的性變形預兆，呈現出的脆性破壞脆性破壞的特征。的特征。（4）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區域與顆光滑區域與顆粒區域粒區域。 (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三、引起疲勞破壞的原因 構件中的最大工作應力達到一構件中的最大工作應力達到一定值時，經過一定的循環

8、次數后，定值時，經過一定的循環次數后，在高應力區形成微觀裂紋即在高應力區形成微觀裂紋即裂紋源裂紋源。 由于裂紋的尖端有高度的應力集中，在交變應力作用下，由于裂紋的尖端有高度的應力集中，在交變應力作用下，微觀裂紋逐漸發展成宏觀裂紋，并不斷擴展。裂紋兩側的材料微觀裂紋逐漸發展成宏觀裂紋，并不斷擴展。裂紋兩側的材料時而張開時而張開, ,時而壓緊，形成時而壓緊，形成光滑區光滑區。 疲勞裂紋不斷擴展，有效面積逐漸減小，當裂紋長度達到疲勞裂紋不斷擴展，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，裂紋以極臨界尺寸時，由于裂紋尖端處于三向拉伸應力狀態，裂紋以極快的速度擴展從而

9、發生突然的脆性斷裂，形成快的速度擴展從而發生突然的脆性斷裂，形成粗糙區粗糙區。（3）脆性斷裂。）脆性斷裂。應力重復變化一次的過程，應力重復變化一次的過程，稱為一個稱為一個應力循環應力循環。應力。應力重復變化的次數重復變化的次數 ，稱為，稱為應力循環次數應力循環次數。2minmaxa2minmaxm平均應力平均應力應力幅應力幅第三節第三節 持久極限持久極限一、疲勞試驗一、疲勞試驗幾個概念幾個概念（1）持久極限持久極限。標準試件經過無窮多次應力循環而不發。標準試件經過無窮多次應力循環而不發生破壞時的最大應力值，稱為該材料的持久極限。生破壞時的最大應力值，稱為該材料的持久極限。持久極持久極限也稱疲勞

10、極限限也稱疲勞極限。（2）條件持久極限條件持久極限。規定標準試件在一定循環次數下不。規定標準試件在一定循環次數下不破壞時的最大應力，稱為條件持久極限（或破壞時的最大應力，稱為條件持久極限（或名義持久極名義持久極限限）。）。（3）應力壽命曲線應力壽命曲線。表示一定循環特征下標準試件的疲。表示一定循環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，也勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線，稱應力壽命曲線，也稱稱-N曲線曲線。-N曲線曲線疲勞實驗裝置疲勞實驗裝置1）構件外形的影響）構件外形的影響 構件外形的突變處（槽、孔、缺口、裂紋等）會引起構件外形的突變處（槽、孔、缺口、裂紋等）會引起應

11、力集中應力集中現象，現象，在應力集中區域極易引發疲勞裂紋，會使構件的持久極限顯著降低。在應力集中區域極易引發疲勞裂紋，會使構件的持久極限顯著降低。 2）構件尺寸的影響）構件尺寸的影響 尺寸越大，持久極限越低尺寸越大，持久極限越低。大試件中處于高應力狀態的晶粒比小試。大試件中處于高應力狀態的晶粒比小試件的多，故引發疲勞裂紋的機會也多，從而降低了構件的持久極限。件的多，故引發疲勞裂紋的機會也多，從而降低了構件的持久極限。 3）構件表面質量的影響）構件表面質量的影響構件表面的加工缺陷（如劃痕、擦傷等）將引起應力集中，而構件表面的加工缺陷（如劃痕、擦傷等）將引起應力集中，而最大應力最大應力又常發生在表

12、層，疲勞裂紋也多生成于表層又常發生在表層，疲勞裂紋也多生成于表層，降低了構件的持久極限。，降低了構件的持久極限。 （1）減緩構件應力集中現象。減緩構件應力集中現象。盡量避免在構件上設計有盡量避免在構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。渡圓角，使截面緩慢變化。設置減荷槽或退刀槽等。（2）降低構件表面粗糙度。降低構件表面粗糙度。加工時盡量避免使構件表面加工時盡量避免使構件表面受到機械損傷或化學損傷（如腐蝕等），出現劃痕或凹坑。受到機械損傷或化學損傷（如腐蝕等），出現劃痕或凹坑。（

13、3）增加構件表層的強度。增加構件表層的強度。可采用熱處理、滲碳、氮化可采用熱處理、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，以提高構件的疲勞強度。提高構件的疲勞強度。本章小結v1.構件在作等加速度直線運動時，動載荷系數為構件在作等加速度直線運動時，動載荷系數為 構件在動載荷作用下的強度條件為構件在動載荷作用下的強度條件為v2.隨時間作交替變化的應力，稱為交變應力。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，且不產生明顯的塑性變形的情況下，也有可料的屈服強度，且不產生明顯的塑性變形的情況下，也有可能發生突然的斷裂。這種破壞，習慣上稱為疲勞破壞。能發生突然的斷裂。這種破壞，習慣上稱為疲勞破壞。 1ag maxmax j本章小結v3.