项目十二疲劳强度

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1、工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度项目十二项目十二 构件的疲劳强度概述构件的疲劳强度概述1工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度交变应力的概念交变应力的概念交变应力交变应力随时间作交替变化的应力。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火车轮轴的受力图和弯矩分别如图a、b所示。所示。(a)FFw wdaaFFFaMxO(b)课题课题12.1 交变应力交变应力2工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度可见可见s sk随时间随时间t是按正弦规律变化的是按正弦规律变化的(图图c)。 力力F和弯矩不随时间变化，但因轴以速度和弯矩不随时间变化，但因轴以

2、速度w w 旋转，旋转，使其横截面上任一点使其横截面上任一点k到到z轴的距离轴的距离 为为t 的的函数函数，k点的正应力为点的正应力为1234zydk3工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 s s-t曲线称为曲线称为应力谱应力谱。应力重复变化一次的过程，。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一个应力循环。应力重复变化的次数 ，称为应，称为应力力循环次数循环次数。1234zydk4工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 图图a中，中，P 为电动机的重量，电动机以等角速度为电动机的重量，电动机以等角速度w w 旋转，旋转，F0 为因电动机的偏心

3、而产生的惯性力。作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用在梁上的铅垂荷载为 ，F 称称为交变荷载。为交变荷载。 最小位移最小位移（w wt=p p/2）最大位移最大位移（w wt=3p p/2） 静位移静位移（w wt = 0）zyk(a)5工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度最小位移最小位移（w wt=p p/2）最大位移最大位移（w wt=3p p/2） 静位移静位移（w wt = 0）zyk(a) C 截面的弯矩为截面的弯矩为 。C 截截面上面上 k点的正点的正 应力为应力为即即6工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度s sk随时间随时间t 的

4、变化规律如图的变化规律如图b所示。所示。7工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度2. 应力幅应力幅（有时称（有时称 为应力幅，为应力幅， 为应力范围）为应力范围）注意：最大应力和最小应力均带正负号。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，引入几为了表示交变应力中应力变化的情况，引入几个基本参量。个基本参量。（拉（拉,压压,弯曲）弯曲）或或（扭转）（扭转）1. 循环特征（应力比）循环特征（应力比）8工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度s smax =s smin (b) s s t O O r =0 脉动循环脉动循环(s smin=

5、 0) (图图 a)特例：特例：r =1 静应力静应力 (s smax = s smin) (图图 b)(a)对称循环：对称循环： r = 1 (例例1)（s smax =-s smin）非对称循环：非对称循环：9工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度课题课题12.2 交变应力的描述及几个物理量交变应力的描述及几个物理量一、交变应力的基本参量一、交变应力的基本参量10工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度11工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度二、几种常见的交变应力二、几种常见的交变应力12工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度课题课题12.3

6、 S-N曲线及材料的疲劳极限曲线及材料的疲劳极限13工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 疲劳破坏疲劳破坏金属构件在长期交变应力作用下所金属构件在长期交变应力作用下所发生的断裂破坏。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，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。断口分为光滑区和粗糙区。疲劳破坏的主要特征：疲劳

7、破坏的主要特征： 14工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度(1) 疲劳裂纹的形成疲劳裂纹的形成(2) 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程: 构件中的最大工作应力达到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后，在高应力区形成微观裂纹裂纹源裂纹源。 由于裂纹的尖端有高度的应力集中，在交变应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扩展。裂纹两侧的材料时而张开,时而压紧，形成光时而压紧，

8、形成光滑区。滑区。裂纹源裂纹源光滑区光滑区粗糙区粗糙区15工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 疲劳裂纹不断扩展，有效面积逐渐减小，当裂纹疲劳裂纹不断扩展，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，裂纹以极力状态，裂纹以极快的速度扩展从而发生突然的脆性快的速度扩展从而发生突然的脆性断裂，形成粗糙区。断裂，形成粗糙区。(3) 脆性断裂脆性断裂16工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 试验表明：在同一循环特征下，交变应力中的试验表明：在同一循环特征下，交变应力中的s smax越大越大, ,

9、发生疲劳破坏所经历的循环次数发生疲劳破坏所经历的循环次数N 越小，越小，即疲劳寿命越短。反之即疲劳寿命越短。反之s smax越小，越小，N 越大，疲劳寿越大，疲劳寿命越长。经过无限次循环不命越长。经过无限次循环不发生疲劳破坏时的最大发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的应力称为材料的疲劳极限疲劳极限。用。用s sr表示，表示，r代表循环特代表循环特征。征。 s sr与材料变形形式，循环特征有关，用疲劳试与材料变形形式，循环特征有关，用疲劳试验测定。验测定。(1) (1) 材料的疲劳材料的疲劳极限极限17工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 弯曲疲劳试验机一台，弯曲疲劳试验机一台，标准

10、（规定的尺寸和加工质标准（规定的尺寸和加工质量）试样一组。记录每根试量）试样一组。记录每根试样发生疲劳破坏的最大应力样发生疲劳破坏的最大应力s smax和循环次数和循环次数N。绘出。绘出s smax-N曲线曲线（疲劳寿（疲劳寿(2) 弯曲对称循环时，弯曲对称循环时，s s-1的测定的测定命曲线），又称为命曲线），又称为 S - N曲线（曲线（S 代表正应力代表正应力s s 或切应或切应 力力t t）。）。40cr 钢的钢的s smax- N曲线如图所示。可见曲线如图所示。可见s smax降至降至某值后，某值后， s smax-N 曲线趋于水平。该应力即为曲线趋于水平。该应力即为s s-1 。图

11、。图中中s s-1=590 MPa。18工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度低碳钢：低碳钢：s sb=400500 MPa(3) 条件疲劳极限条件疲劳极限N0=510 6 10 7 s s NO O 弯曲（弯曲（s s-1-1）b = = 170 220 MPa 拉压（拉压（s s-1-1）t = = 120 160 MPa 铝合金等有色金属，其铝合金等有色金属，其s s - N曲线如图所示，它没曲线如图所示，它没有明显的水平部分，规定疲有明显的水平部分，规定疲劳寿命劳寿命N05106107 时的时的最大应力值为条件疲劳极限，最大应力值为条件疲劳极限，用用 表示。表示。19工程力

12、学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度(4) 构件的疲劳强度校核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。构件的外形材料的疲劳极限是由标准试样测定的。构件的外形,尺寸尺寸,表面质量均可能与标准试样不同。一般采用有效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应力集中系数Ks,尺寸系数尺寸系数e es s和表面加工系数和表面加工系数b b（均由图（均由图表可查）表可查）, 对材料的疲劳极限进行修正得到构件的疲劳对材料的疲劳极限进行修正得到构件的疲劳极限。极限。即即再把构件的疲劳极限除以安全因数得到疲劳许用应力。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

13、强度条件为交变应力的强度条件为最大工作应力最大工作应力 疲劳许用应力疲劳许用应力20工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度疲疲劳曲曲线，简称称为曲曲线 21工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度课题课题12.4 影响构件疲劳极限的主要因素影响构件疲劳极限的主要因素 及构件的疲劳强度计算及构件的疲劳强度计算一、一、影响构件疲劳极限的主要因素影响构件疲劳极限的主要因素 1.应力集中的影响应力集中的影响22工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度2. 构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.表面加工质量的影响表面加工质量的影响称循环下构件的疲劳极限称循环下构件的疲劳极限 对

14、称循环扭转交变应力作用时对称循环扭转交变应力作用时 23工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度 构件疲劳强度计算方法简介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在对称循环下的作用应力 构件的疲劳强度条件为构件的疲劳强度条件为对称循环扭转交变应力作用时对称循环扭转交变应力作用时 ： 24工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度在对称循环下，构件疲劳强度计算的基本步骤在对称循环下，构件疲劳强度计算的基本步骤 1查表确定构件的有效表确定构件的有效应力集中系数力集中系数和表面和表面质量量 、尺寸系数、尺寸系数2计算构件的最大工作算构件的最大工作应力力3计算构件的工

15、作安全系数算构件的工作安全系数，然后用构件的疲，然后用构件的疲劳强强度条件度条件进行行强强度度计算。算。25工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度1) 合理设计构件形状，降低构件的应力集中合理设计构件形状，降低构件的应力集中： 课题课题12.5 提高构件疲劳强度的途径提高构件疲劳强度的途径26工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度在角焊缝处，如采用图在角焊缝处，如采用图12-5-5应力集中程度要比无坡口焊接应力集中程度要比无坡口焊接(图图12-5-5(b)改善很多改善很多27工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度二、提高构件表面的加工质量二、提高构件表面的加

16、工质量构件表面越光滑，应力集中就越小，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，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，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。如铸铁构件，就没有必要提高它的表面光洁度。此外，还应避免构件表面的机械损伤和化学腐蚀等。此外，还应避免构件表面的机械损伤和化学腐蚀等。三、提高构件表层的强度三、提高构件表层的强度对于构件中最大应力所在的表面采用某些工艺措施，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、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。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，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。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。28工程力学工程力学项目十二项目十二 疲劳强度疲劳强度29