河南理工大学材料力学第十一章 交变应力综述

Mechanics of Materials,Chapter 11 Alternating Stress,第十一章 交变应力,材料力学,第十一章 交变应力 （Alternating stress）,§111 交变应力与疲劳失效(Alternating stress and fatigue failure),§113 持久极限(Endurance limit),§112 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力(The cycle symbol,stress amplitude and mean stress for alternating stress）,§114 影响持久极限的因素 (The effective factors of endurance limit ),§115 对称循环下构件的疲劳强度计算 (Calculation of the fatigue strength of the member under symmetric cycles),§116 持久极限曲线 (Enduring limit curve),§117 不对称循环下构件的疲劳强度计算 (Calculation of the fatigue strength of the member under unsymmetric cycles),§118 弯扭组合交变应力的强度计算 (Calculation of the strength of composit deformations),§111 交变应力与疲劳失效,一、交变应力 构件内一点处的应力随时间作周期性变化,这种应力称为交变应力.,二、产生的原因,例题1 一简支梁在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的 重力作用产生静弯曲变形,当电动机工作时,由于转子的偏心而引起离心惯性力.由于离心惯性力的垂直分量随时间作 周期性的变化,梁产生交变应力.,1、载荷做周期性变化,2、载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化,t,例题2 火车轮轴上的力来自车箱.大小,方向基本不变. 即弯矩基本不变.,横截面上 A点到中性轴的距 离却是随时间 t 变化的.,假设轴以匀角速度 转动.,A的弯曲正应力为, 是随时间 t 按正弦曲线变化的,三、疲劳破坏,材料在交变应力作用下的破坏习惯上称为疲劳破坏,（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度 极限值,有时甚至低于材料的屈服极限.,（2）无论是脆性还是塑性材料,交变应力作用下均表现为 脆性断裂,无明显塑性变形.,（3）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分.,1.疲劳破坏的特点,材料发生破坏前,应力随时间变化经过多次重复,其循环次数与应力的大小有关.应力愈大,循环次数愈少.,用手折断铁丝,弯折一次一般不断,但反复来回弯折多次后,铁丝就会发生裂断,这就是材料受交变应力作用而破坏的例子. 因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的,极易造成严重事故.据统计,机械零件,尤其是高速运转的构件的破坏,大部分属于疲劳破坏.,（1）裂纹萌生 在构件外形突变或材料内部缺陷等部位,都可能产生应力集中引起微观裂纹.分散的微观裂纹经过集结沟通,将形成宏观裂纹.,（2）裂纹扩展 已形成的宏观 裂纹在交变应力下逐渐扩展.,（3）构件断裂 裂纹的扩展使构件截面逐渐削弱,削弱到一定极限时,构件便突然断裂.,2、疲劳过程一般分三个阶段,交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异,故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同.,下图为交变应力下具有代表性的正应力时间曲线.,§112 交变应力的循环特征、应力幅和平均应力,一、基本参数,应力每重复变化一次,称 为一个应力循环,在拉,压或弯曲交变应力下,在扭转交变应力下, min,最小应力和最大应力的比值称为循环特征(Cycle symbol).用r 表示.,1.应力循环,2.循环特征),3、应力幅 最大应力和最小应力的 差值的的二分之一,称为交 变应力的 应力幅.用a 表示,4、平均应力,最大应力和最小应力代数和的一半,称为交变应力的 平均应力. 用m表示.,二、交变应力的分类,1、对称循环,在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号.,min= - max或 min= - max,r= -1 时的交变应力,称为对 称循环 交变应力.,（1）若 非对称循环交变应力中的最小应力等于零（ min）,r=0 的交变应力,称为脉动循环 (fluctuating cycle)交变应力,时的交变应力,称为非对称循环交变应力.,2.非对称循环,（2）r 0 为同号应力循环; r 0 为异号应力循环.,（3）构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即 max= min . 若将静应力视作交变应力的一种特例,则其循环特征,O,max,min=0,t,例题3 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,螺纹内径为 d=11.5mm,试求 a 、m 和 r.,解：,交变应力,§113 持久极限(Endurance Limit),一、材料持久极限(疲劳极限) (Endurance limit or fatigue limit of a materials) 循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏,这个限度值称为“疲劳极限”,用r 表示.,二、 N 曲线（应力寿命曲线） ( N curve or Stresslife curve),通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命,以最大应力 max 为纵坐标,疲劳寿命N为横坐标,即可绘出材料在交变应力下的 应力疲劳 寿命曲线,即 N曲线.,当最大应力降低至某一值后,N 曲线趋一水平,表示材料可经历无限次应力循环而不发生破坏,相应的最大应力值 max 称为材料的疲劳极限或耐劳极限.用 r 表示.,三、测定方法(Test measures),将材料加工成最小直径为 710mm,表面磨光的试件,每组试验包括 6 10根试件.,在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限技术上较简单.,对于铝合金等有色金属,N 曲线通常没有明显的水平部分,一般规定疲劳寿命N0 = 108时的最大应力值为条件疲劳极限,用 .,N0 表示疲劳寿命,第二根试件,第一根试件,N1,N2,略小于,r表示循环特征,如-1 表示对称循环材料的疲劳极限.,§11-4 影响构件持久极限的因素 (The effective factors of endurance limit ),一、构件外形的影响(the effect of member figure) 若构件上有螺纹,键槽,键肩等,其持久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低.其影响程度用有效应力集中系数表示,二、构件尺寸的影响 (the effect of member sides),大试件的持久极限比小试件的持 久极限要低,尺寸对持久极限的影响程度， 用尺寸系数表示,右边表格给出了在弯、扭的对称应力循环时的尺寸系数.,三、构件表面状态的影响 (the effect of member surface state),实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响,这是因为不同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中.,若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理,其持久极限也就得到提高.,表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表示,综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限,为有效应力集中系数,为尺寸系数,为表面磨光的光滑小试件的持久极限,如果循环应力为剪应力,将上述公式中的正应力换为剪应力即可.,对称循环下,r= -1 .上述各系数均可查表而得.,§115 对称循环下构件的疲劳强度计算 (Calculation of the fatigue strength of the member under symmetric cycles),一、对称循环的疲劳容许应力(The permissible stress of fatigue under symmetric cycles),二、对称循环的疲劳强度条件(The strength condition of fatigue under symmetric cycles),同理,例题4 阶梯轴如图,材料为铬镍合金钢,b=920MPa,1= 420MPa ,1= 250MPa ,分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数.,解 (1)弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数:,交变应力,由表查尺寸系数,当 时,当 时,当 时,(2)扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图表查有效应力集中系数,交变应力,当 时,当 时,由表查尺寸系数,例题5 旋转碳钢轴上,作用一不变的力偶 M=0.8kN·m,轴表面经过精车, b=600MPa，1= 250MPa，规定 n=1.9,试校核轴的强度.,解:(1) 确定危险点应力及循环特征,交变应力,为对称循环,（3） 强度校核,（2）查图表求各影响系数,计算构件持久限.,求K,求 查图得,求 表面精车， =0.94,所以安全,查图得,§116 持久极限曲线 (Enduring limit curve),与测定对称循环特征持久极限-1的方法相类似,在给定的循环特征r下进行疲劳试验,求得相应的SN曲线.,利用SN曲线便可确定不同r值的持久极限r,选取以平均应力m为横轴,应力幅a为纵轴的坐标系,对任一循环,由它的a和m便可在坐标系中确定一个对应的P点,若把该点的纵横坐标相加,就是该点所代表的应力循环的最大应力即,由原点到P点作射线OP其斜率为,循环特征相同的所有应力循环都在同一射线上.,离原点越远,纵横坐标之和越大,应力循环的max也越大,只要max不超过同一r下的持久极限r,就不会出现疲劳失效,所以在每一条由原点出发的射线上,都有一个由持久极限r确定的临界点(如OP上的P).,将这些点联成曲线即为持久极限曲线,由于需要较多的试验资料才能得到持久极限曲线,所以通常采用简化的持久极限曲线,最常用的简化方法是由对称循环,脉动循环和静载荷,取得A,C,B三点,用折线ACB代替原来的曲线,折线AC部分的倾角为,斜率为,直线AC上的点都与持久极限r相对应,将这些点的坐标记为rm和ra于是AC的方程可写为,§117 不对称循环下构件的疲劳强度计算 (Calculation of the fatigue strength of the member under unsymmetric cycles),构件工作时,若危险点的应力循环由P点表示，则,延长射线OP与EF相交于G点,G点纵横坐标之和就是持久极限r,即,构件的工作安全因数应为,（a）,（b）,由(b),(c)两式解出,强度条件为,扭转强度条件为,代入(a)式,（a）,例题6 如图所示圆杆上有一个沿直径的贯穿圆孔,不对称交变弯矩为Mmax5Mmin512N·m.材料为合金钢,b950MPa,-1430MPa,0.2.圆杆表面经磨削加工.若规定安全因数n2,ns1.5,试校核此杆的强度.,解: (1)计算圆杆的工作应力,（2）确定系数K,.,按照圆杆的尺寸,由表11.1查得,由表11.2查得 表面经磨削加工的杆件,(3)疲劳强度校核,规定的安全因数为n2.nn,所以疲劳强度是足够的.,(4)静强度校核 因为r0.20，所以需要校核静强度,最大应力对屈服极限的工作安全因数为