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1、第十七章第十七章 构件的疲劳强度构件的疲劳强度 在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构件承受件承受件承受件承受随时间周期性变化的应力随时间周期性变化的应力随时间周期性变化的应力随时间周期性变化的应力，这种应力称为，这种应力称为，这种应力称为，这种应力称为交变应力。交变应力。交变应力。交变应力。 交变应力与疲劳破坏密切相关。交变应力与疲劳破坏密切相关。交变应力与疲劳破坏密切相关。交变应力与疲劳破坏密切相关。 本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以
2、本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以及影响因素和疲劳强度计算等及影响因素和疲劳强度计算等及影响因素和疲劳强度计算等及影响因素和疲劳强度计算等 。17.117.1交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏PPmntA1234t12341A A点应力：点应力：1-2-3-4-11-2-3-4-1交变应力的特点交变应力的特点：1 1、交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限 ， 甚至小于屈服极限甚至小于屈服极限 。2 2、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形，
3、、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形， 且为突然断裂，通常称疲劳破坏。且为突然断裂，通常称疲劳破坏。3 3、疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可、疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可 见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩 展的弧形线。展的弧形线。交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。产生微裂纹，再向四周扩
4、展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而断裂，即为成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。脆断粗糙区。疲劳破坏产生的过程可概括为：疲劳破坏产生的过程可概括为：裂纹形成裂纹形成 裂纹扩展裂纹扩展 断裂断裂交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，
5、人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。 据150多年来的统计，金属部件中有80以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。 17.2 17.2 交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值应力循环应力循环: :一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变一点的应力由某一数值开始
6、，经过一次完整的变 化又回到这一数值的一个过程。化又回到这一数值的一个过程。tT最大应力：最大应力： ；最小应力最小应力： ；平均应力：平均应力：应力幅：应力幅：循环特征：循环特征：且且以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足具体描述一种叫变应力，可用最大应力具体描述一种叫变应力，可用最大应力 和循环应力和循环应力r r， 或用平均应力或用平均应力 和应力幅值和应力幅值 。 几种典型的交变应力情况几种典型的交变应力情况不稳定的交变应力：不稳定的交变应力： 、 不是常量，不是常量， 变化变化 （不等幅情况）。（不等幅情况）。稳定的交变应力：稳定的交变应力：
7、 、 均不变，均不变， 为常数为常数 （等幅情况）；（等幅情况）；交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值（1 1）对称循环对称循环：如受弯的车轴：如受弯的车轴t（2 2）脉动循环脉动循环：如齿轮：如齿轮t（3 3）静应力静应力：如拉压杆：如拉压杆tt（4 4）非对称循环：非对称循环： ，17.3 17.3 材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定疲劳寿命疲劳寿命：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应 力循环次数，记作力循
8、环次数，记作 N N，与与 及及 r r 有关。有关。在一定的循环特征在一定的循环特征 r r 下：下：疲劳极限或有限寿命持久极限疲劳极限或有限寿命持久极限： 材料在规定的应力循环次数材料在规定的应力循环次数N N下，不发生疲劳破环的最大下，不发生疲劳破环的最大应力值，记作应力值，记作 。无限寿命疲劳极限或持久极限无限寿命疲劳极限或持久极限 ： 当当 不超过某一极限值，材料可以经受不超过某一极限值，材料可以经受“无数次无数次”应力应力循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。 值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一
9、。值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。测定该值的方法为：测定该值的方法为：试件试件：d=7-10mmd=7-10mm，表面磨光的小试件，表面磨光的小试件6-10 6-10 根。根。机器机器：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）循环基数循环基数：钢钢： （出现水平渐近线）（出现水平渐近线） 有色金属有色金属： 规定规定 名义疲劳极限），名义疲劳极限），疲劳曲线不出现水平渐近线。疲劳曲线不出现水平渐近线。 步骤步骤：材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定先取先取 ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂; ;再
10、取再取 （比（比 减少减少20-40MPa20-40MPa） ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂; ; 如果第七根试件在如果第七根试件在 下经历了下经历了 次次循环次数循环次数 而不断裂，并而不断裂，并 或或 ， 则则 即为该材料的疲劳极限即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一。否则，进行下一根试件的试根试件的试 验。验。 材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定17.4 17.4 影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素构件的持久极限构件的持久极限是指构件可以经受是指构件可以经受“无数次无数次”应力循环而不发
11、生应力循环而不发生破坏的最大交变应力值。与破坏的最大交变应力值。与材料的持久极限材料的持久极限相比必须考虑一下因相比必须考虑一下因素：素：1 1、构件外形引起的影响、构件外形引起的影响应力集中应力集中K K称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；K K称为扭转时的称为扭转时的有效应力集中系数。有效应力集中系数。K K与与K Kr r均是大于均是大于1 1的数值。有效应力集中系数的数值。有效应力集中系数K K或或K Kr r与材料性质有关与材料性质有关: :(1)(1)钢的强度极限钢的强度极限b b愈高，有效应力集中系数愈高，有效应力集中系数K K或或K
12、K愈大。钢的组愈大。钢的组 织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度呢愈高，因此高强度钢的织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度呢愈高，因此高强度钢的K K 及及K K之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影 响较大。响较大。(2) (2) r/dr/d愈大，应力集中系数愈大，应力集中系数K K及及K K愈小，所以增大构件的圆角半愈小，所以增大构件的圆角半 径径r r, ,可以降低应力集中的影响。可以降低应力集中的影响。2. 2. 构件尺寸的影响构件尺寸的影响试验证实试验证实 ：疲劳极限随尺寸的增加而降低，设：疲劳极限随尺寸的增加而降低，设1 1 和和
13、1 1 为光滑大试件的疲劳极限，为光滑大试件的疲劳极限，1 1 与与 1 1 为用光滑小试为用光滑小试件（件（d d=7=710 mm10 mm）的疲劳极限）的疲劳极限, ,尺寸系数定义为：尺寸系数定义为：3 3、构件表面状态的影响、构件表面状态的影响（1 1）表面加工影响：表面加工系数）表面加工影响：表面加工系数 为不同表面加工的构件的持久极限，为不同表面加工的构件的持久极限， 为表为表面磨光构件的持久极限。面磨光构件的持久极限。（2）表面腐蚀影响：表面腐蚀系数）表面腐蚀影响：表面腐蚀系数 为腐蚀介质中构件的持久极限，为腐蚀介质中构件的持久极限， 为空气中构件的持久为空气中构件的持久 极限。
14、极限。（3）表面强化影响：表面强化系数）表面强化影响：表面强化系数 为以不同强化方法处理构件的持久极限，为以不同强化方法处理构件的持久极限， 为未经强化为未经强化 构件的持久极限。构件的持久极限。 以上以上 、 、 总称为表面状态系数，以总称为表面状态系数，以 表示。在计算表示。在计算中，根据具体情况取其中主要因素，一般不将各中，根据具体情况取其中主要因素，一般不将各 值相乘。即值相乘。即 =不同表面质量构件的持久极限不同表面质量构件的持久极限表面磨光试样的持久极限表面磨光试样的持久极限对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度
15、计算 在考虑应力集中、尺寸大小和表面状态的综合影响后，在考虑应力集中、尺寸大小和表面状态的综合影响后，构件在循环特征构件在循环特征 r=-1 r=-1 下的疲劳极限为：下的疲劳极限为：构构对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度计算对称循环下的构件疲劳强度计算规定安全系数为规定安全系数为 n n，则构件的许用应力为，则构件的许用应力为因此，强度条件为因此，强度条件为构构n n提高构件疲劳强度的关键：消除或改善各类情况下的应力集中提高构件疲劳强度的关键：消除或改善各类情况下的应力集中以及提高构件表层的强度。在构件外观设计上尽量避免开空或以及提高构件表层的强度。在构件外观设计上尽量避免开空或带尖角的槽，在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆带尖角的槽，在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆角半径，降低应力集中。角半径，降低应力集中。
