第6章 B 交变应力.ppt

Ⅱ. 变幅疲劳 I. 金属材料的疲劳破坏 交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性变化，称为交变应力。 实践表明：金属材料若长期处于交变应力作用下，则在最大工作应力远低于材料屈服强度，且不产生明显塑性变形的情况下骤然断裂，称疲劳破坏。 §6-4 交变应力作用下材料的疲劳破坏 · 疲劳极限 光滑区域 颗粒状区域 目录 疲劳破坏 ： 材料与构件在交变应力作用下的失效。 疲劳失效实例 疲劳失效实例 疲劳失效实例 疲劳源 目录 （1） 破坏时，名义应力值远低于材料的静 载强度极限； （3） 破坏前没有明显的塑性变形即使韧性 很好的材料，也会呈现脆性断裂； （2） 交变应力作用下的疲劳失效需要经过 一定数量的应力循环； （4） 同一疲劳断口，一般都有明显的光滑 区域和颗粒状区域。 疲劳破坏的特征 疲劳破坏的发展过程 1.高应力区在交变应力下出现微裂缝——裂纹源 2.裂纹源尖端的应力集中，使裂纹扩展——宏裂纹 3.宏裂纹两侧时压、时离，似相互研磨，形成——光滑区 4.裂纹削弱的截面，应力增大到一定程度，在突加的外因（超载、冲击或振动）下突然断裂，断口出现——粗糙区。 5.因裂纹尖端为3向应力状态故为出现脆性断裂。 滑移带 初始裂纹 晶界 目录 a a l P P 交变应力的例子 —— 观察车轮上一个点 y d o 4 3 1 2 z y t t o 1 1 2 3 4 2 3 Ⅱ. 交变应力的基本参数、疲劳极限 y d o 4 3 1 2 z y a a L F F 交变应力的例子 —— 观察车轴上一个点 t o 1 2 3 4 1 点的正应力 Ⅱ. 交变应力的基本参数、疲劳极限 随着时间的变化，应力在一固定的最小值和最大值之间作周期性的交替变化，应力每重复变化一次的过程称为一个应力循环。 一个应力循环 t O 最大应力 最小应力 平均应力 应力幅 循环特性（应力比）r： 或 r = 0 ：脉动应力循环 r = -1 ：对称应力循环 r = 1 ：静应力 σ σ man σ min t 几种特殊的交变应力： 目录 t t T 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax = 58.3kN，最小拉力 Pmin =55.8kN，螺纹内径 d=11.5mm。求 ? a、?m 和 r。 解： 例题 目录 持久极限(疲劳极限） 持久极限－经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。又称为疲劳极限。 疲劳试样 持久极限由疲劳实验确定 应力－寿命曲线（S-N） 目录 条件疲劳极限 对于钢和铸铁等褐色金属，S－N 曲线都有趋于水平的特点，一般规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。 目录 对于铝合金等有色金属，S－N 曲线通常没有明显的水平部分，一般规定经历5×106～107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。其时最大的应力值为条件疲劳极限。 影响疲劳极限的因素 构件外形的影响(构件截面有急剧变化处的应力集中等)； 构件尺寸的影响（高应力区疲劳源多)； 表面加工质量的影响（加工留下的刀痕或刻痕等会降低疲劳极限） 截面突变处的应力集中现象 构件外形的影响 提高构件疲劳强度的措施 1、减缓应力集中（会显著提高构件的疲劳极限） 2、降低表面粗糙度（表面质量越高，疲劳极限越高） 3、增强表面强度（降低表面裂纹出现概率） 传统交变应力下的强度条件是最大循环应力小于构件许用疲劳极限。 I. 常幅疲劳 在交变应力作用下的焊接构件及其连接，由于要计及焊缝处的焊接残余应力，因此在疲劳计算中认为应力循环中的最大应力已达屈服极限，应按应力幅建立强度条件。 应力循环中的应力幅若保持为常数，这种情况的 疲劳称为常幅疲劳。 §6-5 钢结构构件及其连接的疲劳计算 考虑到数据分布的统计规律和疲劳破坏的概率因素，引入合适的安全因数，得等幅疲劳许用应力幅实用表达式 对于对于常幅疲劳，在常温、无腐蚀情况下的等幅试验表明，应力幅与循环次数N间的关系，其表达式 式中，C是与构件和连接的种类及其受力情况有关的参数。 该式适用于焊接钢构件的各类构件和连接。 常幅疲劳强度条件为： 按线性积累损伤律，将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行强度计算。 积累损伤理论：变幅交变应力时，如果有若干应力循环中的最大应力超过构件的持久极限，则每一应力循环都将使构件受到损伤，损伤积累到一定程度，将引起疲劳失效。