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文檔簡介

§11-1交變應力與疲勞失效§11-2交變應力的循環特征、應力幅和平均應力§11-3持久極限§11-4影響持久極限的因素§11-5對稱循環下構件的疲勞強度計算§11-6持久極限曲線§11-7不對稱循環下構件的疲勞強度計算§11-10提高構件疲勞強度的措施

第十一章交變應力§11-1交變應力與疲勞失效交變應力:構件內隨時間作周期性變化的應力。

①折斷一根鐵絲的啟示疲勞與疲勞破壞:結構的構件在交變應力的作用下發生的破壞現象,稱為疲勞破壞,簡稱疲勞②齒輪嚙合時齒根A點的彎曲正應力

隨時間作周期性變化。

車軸每轉一周,某點處的材料即經歷一次由拉伸到壓縮的應力循環。③機車車軸④電機轉子偏心慣性力引起強迫振動梁上的危險點正應力隨時間作周期性變化。

表示電機的重力W以靜載方式作用于梁上引起的靜應力,最大應力和最小應力分別表示梁在最大和最小位移時的應力。

因疲勞破壞是在沒有明顯征兆的情況下突然發生的,極易造成嚴重事故。據統計,機械零件,尤其是高速運轉的構件的破壞,大部分屬于疲勞破壞。疲勞失效的特點構件在交變應力作用下失效時,具有如下特征:1)破壞時的最大應力值往往低于材料在靜載作用下的屈服應力;(必要性)2)構件在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的應力循環;3)構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆,即使塑性材料,也將呈現“突然”的脆性斷裂;(危害性)4)金屬材料疲勞斷裂斷口上,有明顯的光滑區域與顆粒區域。(判斷依據)疲勞失效機理疲勞源裂紋擴展光滑區粗糙區脆斷金屬材料裂紋1979年,美國DE-10型飛機失事,死亡270人,原因螺旋槳轉軸發生疲勞破壞,該型號飛機停飛一年,全面檢修,是設計問題。疲勞破壞案例11981年初,歐洲北海油田“基爾蘭”號平臺覆滅,死亡123人,原因疲勞破壞,橫梁在海浪的交變應力作用下,橫梁承孔邊裂縫,當時大風掀起7米巨浪,10105噸的浮臺沉沒于大海之中疲勞破壞案例21998年5月,德國高速列車出軌,原因列車大軸發生疲勞破壞。疲勞破壞案例3§11-2交變應力的循環特征、應力幅和平均應力應力循環:應力每重復變化一次,稱為一個應力循環。完成一個應力循環所需的時間T,稱為一個周期。1.對稱循環如:機車車軸2.脈動循環3.靜載§11-3持久極限

試件分為若干組,最大應力值由高到底,以電動機帶動試樣旋轉,讓每組試件經歷對稱循環的交變應力,直至斷裂破壞。記錄每根試件中的最大應力

(名義應力,即疲勞強度)及發生破壞時的應力循環次數(又稱疲勞壽命),即可得S—N應力壽命曲線。應力—壽命曲線,也稱S—N曲線。S-N曲線為對稱循環時材料的疲勞極限材料的疲勞極限有色金屬及其合金的應力—壽命曲線無明顯趨于水平的直線部分。通常規定N0=(5-10)×107作為循環基數,所對應的應力為該材料的條件疲勞極限。材料的疲勞極限與強度極限的近似關系:彎曲:拉壓:扭轉:§11-4影響持久極限的因素1.構件外形的影響2.構件尺寸的影響3.構件表面質量的影響構件外形的影響構件外形的突變(槽、孔、缺口、軸肩等)引起應力集中。應力集中區易引發疲勞裂紋,使疲勞極限顯著降低。

用有效應力集中因數或描述外形突變的影響:或其中:或是無應力集中的光滑試件的疲勞極限,或是有外形突變試件的疲勞極限。且越小,則有效應力集中因數越大;材料的抗拉強度越高,應力集中隊疲勞極限的影響愈顯著。構件尺寸的影響

構件尺寸越大,疲勞極限越低。如受扭轉大、小二圓截面試件,如二者的最大剪應力相同,則大試件橫截面上的高應力區比小試件的大。即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。

用尺寸因數或表示。或其中:為光滑小試件為光滑大試件且,d越大,越小,愈小。構件表面質量的影響

構件上的最大應力常發生于表層,疲勞裂紋也多生成于表層。故構件表面的加工缺陷(劃痕、擦傷)等將引起應力集中,降低疲勞極限。

用表面質量因數表示

其中:為表面磨光試件的疲勞極限為用其它方法加工的構件疲勞極限

表面加工質量愈低,愈小,降低愈多。

一般,但可通過對構件表面作強化處理而得到大于1的值。綜合上述三種因素,對稱循環下構件的疲勞極限為:或其中:,是光滑小試件的疲勞極限。疲勞裂紋主要形成于構件表面和應力集中部位,故提高構件疲勞極限的措施有:(1)減緩應力集中,設計構件外形時,避免出現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,(如階梯軸軸肩設置減荷槽或退刀槽;(2)降低表面粗糙度,對表面進行精加工,避免表面有機械損傷和化學損傷(如腐蝕);(3)增加表面強度,通過高頻淬火、滲碳、滲氮或液壓噴丸進行處理。§11-5對稱循環下構件的疲勞強度計算對稱循環交變應力下,構件的疲勞強度條件為:其中:

是構件危險點的最大工作應力;

n是疲勞安全系數。

或表示成:同理,對扭轉交變應力有:其中:,。例機車車軸,P=80kN,45鋼,n=1.5,試校核I截面疲勞強度。解:該截面疲勞強度足夠。§11-6持久極限曲線107直線AC的斜率:直線AC的方程:§11-7不對稱循環下構件的疲勞強度計算直線AC:那么直線的縱坐標:構件工作時,若危險點的應力循環由點

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