交变应力32概要课件.ppt

1、10.4 交变应力交变应力10.4.1 交变应力交变应力火车轮轴上的力火车轮轴上的力F表示来自车箱的力，大小和方向基表示来自车箱的力，大小和方向基本不变。即弯矩基本不变。本不变。即弯矩基本不变。FF tzA横截面上点横截面上点A 到中性轴的距到中性轴的距离却是随时间离却是随时间 t 变化的。变化的。假设轴以匀角速度假设轴以匀角速度 转动。转动。try sinA的弯曲正应力为：的弯曲正应力为：tIrMIyMsin 是随时间是随时间 t 按按正弦曲线变化的正弦曲线变化的交变应力交变应力：随时间作周期性变化的应力。：随时间作周期性变化的应力。1、金属材料在交变应力作用下的破坏有以下特点：、金属材料在

2、交变应力作用下的破坏有以下特点：（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度）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，但经历时间长。极限值，但经历时间长。（2）无论是脆性还是塑性材料，交变应力作用下均表现）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。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。）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分。裂纹萌生裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展扩展到临界尺寸瞬时断裂扩展到临界尺寸瞬时断裂2、疲劳过程一般分三个阶段：、疲劳过程一般分三个阶段：粗糙区粗糙区裂纹源裂纹源光滑区光滑区 交变应力的疲

3、劳破坏与静应力下的破坏有很大差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异，故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同。不同。下图为交变应力下具下图为交变应力下具有代表性的有代表性的 正应力正应力时间曲线。时间曲线。交变应力的循环特征、应力幅和平均应力交变应力的循环特征、应力幅和平均应力基本参数基本参数应力每重复变化一次，称为一个应力循环。应力每重复变化一次，称为一个应力循环。r 表示表示交变应力的交变应力的 循环特征或应力比循环特征或应力比t o一个应力循环一个应力循环 max min 在拉、压或弯曲交变应在拉、压或弯曲交变应力下力下maxm

4、inr在扭转交变应力在扭转交变应力下下maxminrt o一个应力循环一个应力循环 max min 最大应力和最小应力的差值，称为交变应力的最大应力和最小应力的差值，称为交变应力的 应应力幅力幅a。minmaxminmax最大应力 与最小应力的平均值叫平均应力，平均应力，以m 表示。注意注意最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 绝对值较大绝对值较大者为最大应力，并规定它为正号，而与正号应力反向的最者为最大应力，并规定它为正号，而与正号应力反向的最小应力则为负号。小应力则为负号。1、在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号、在交变应力下若最大应力与最

5、小应力等值而反号 （min=-max 或或 min=-max）1maxminrr=-1 时的交变应力，称为时的交变应力，称为 对称循环对称循环 交变应力。交变应力。2、时的交变应力，称为时的交变应力，称为 非对称循环非对称循环 交变应力交变应力。1r（1）若非对称循环交变应力若非对称循环交变应力中的最小应力等于零（中的最小应力等于零（min）0maxminrr=0 的交变应力，称为的交变应力，称为 脉动循环脉动循环 交变应力。交变应力。t o max min=0（3）构件在静应力下，各点处的应力保持恒定，即）构件在静应力下，各点处的应力保持恒定，即 max=min。1rt o max min（

6、2）r 0 为为同号同号应力循环应力循环；r 20300.910.830.8930400.880.770.8140500.840.730.7850600.810.700.7660700.780.680.7470800.750.660.73801000.730.640.721001200.700.620.701201500.680.600.681505000.600.540.60三、构件表面状态的影响三、构件表面状态的影响 实际构件表面的加工质量对持久极限也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

7、力集中。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。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表面质量对持久极限的影响用表面状态系数数表示：表示：极限表面磨光的试件的持久持久极限其他加工情况的构件的d)()(11 综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环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下的持久极限件的持久极限为表面磨光的光滑小试为表面状态系数为尺寸系数为有效应力集中系数1101KK10.5.1 对称循环下构件的疲劳强度计算对称循环下构件的疲劳强度计算nKn10

8、11构件的许用应力101K上一小节已求得1max构件的强度条件10.5 对称和非对称循环下构件的疲劳强度计算对称和非对称循环下构件的疲劳强度计算例题例题4 阶梯轴如图阶梯轴如图,材料为铬镍合金钢材料为铬镍合金钢,b=920MPa,1=420MPa,1=250MPa,分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中因分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中因数和尺寸因数数和尺寸因数.解解:（1）弯曲时的有效应力集）弯曲时的有效应力集中因数和尺寸因数中因数和尺寸因数由图由图表表查有效应力集中因数查有效应力集中因数:f f50f f40r=525.14050dD125.0405dr由表查尺寸由表查尺寸因因数数77.0

9、当当 时时,MPa1000b 55.1 K当当 时时,MPa900b 55.1 K当当 时时,MPa920b 55.1 K（2）扭转时的有效应力集中因数和尺寸因数）扭转时的有效应力集中因数和尺寸因数 由图由图表表查有效应力集中因数查有效应力集中因数当当 时时,MPa1000b 28.1 K当当 时时,MPa900b 25.1 K应用直线插值法应用直线插值法得得当当 时时,MPa920b 26.1)900920(90010025.128.125.1 K由表查尺寸由表查尺寸因因数数81.0 例题例题5 旋转碳钢轴上旋转碳钢轴上,作用一不变的力偶作用一不变的力偶 M=0.8kNm,轴表面经过精车轴表

10、面经过精车,b=600MPa,1=250MPa,规定规定 n=1.9,试校核轴的强度。试校核轴的强度。解解:（1）确定危险点应确定危险点应力及循环特征力及循环特征MMf f50f f40r=5MPa2.6505.0328003minmax WM为对称循环为对称循环1maxmin r（3）强度校核）强度校核（2）查图表求各影响因数）查图表求各影响因数,计算构件持久限计算构件持久限.求求K 求求 查图得查图得 求求 表面精车表面精车,=0.94 所以安全所以安全 查图得查图得4.1 KMPa600 ;15.0 ;4.1bdrdD 79.0 nKn 12.22504.15.6294.079.0 1m

11、ax ma,OIPIrGHOH sOBHIJCFKGPEAL m m a a smma1m Krama1 KGHma mmmarrGHOHGHn)(rm1 KGHmmarGH nn nKn ma1 ma1 Knmma1m Krama1 KGHma mmmarrGHOHGHn(.).3330 046 28 10 m3232dW-6-6MPa5.811028.65126maxmax WM MPa3.1651maxmin 2.051maxmin rmm2截面截面mm40MPa9.4823.165.812minmaxm MPa6.322minmaxa 05.04020 ddMPa950b 18.2 K

12、77.0 77.0 21.49.482.06.32177.018.2430ma1 Kn.ssmax5406 6281 5nn nnnnnn 22 n nR5TTMM50600.40.4MPa3.81103.121000MPa3.81103.1210006minmin6maxmax WMWM .3330 0512 3 10 m3232dW-6-61maxmin r.333t0 0524 6 10 m1616dW-6-6.6maxmax6t150061 10 Pa61MPa24 6 10TW 0min 0maxminmin rMPa5.302maxa MPa5.302maxm 1.0105,2.1

13、5060 dRdD55.1 K24.1 K78.0,73.0 1 1.0 38.23.81173.055.1410max1 Kn66.45.301.05.30178.024.1240ma1 Kn212.266.438.266.438.22222 nnnnnn 提高构件抗冲击和疲劳的措施10.6.1 提高抗冲击的措施提高构件抗冲击能力的措施：前面的分析表明，冲击时构件中动应力的大小与动荷载系数有关，所以，要提高构件的抗冲击能力，主要从降低冲击动荷系数着手。从动荷系数的计算公式(10-4)可知，被冲击构件的静位移愈大，动荷系数愈小。这是因为产生较大静位移的构件，其刚度较小，能吸收较多的冲击能量，从

14、而增大构件的缓冲能力。所以，减小构件刚度可以达到降低冲击动应力的目的。但是，如果采用缩减截面尺寸的方法来减小构件刚度，则又会使应力增大，其结果未必能达到降低冲击动应力的目的。因此，工程上往往是在受冲击构件上增设缓冲装置，如缓冲弹簧、橡胶垫、弹性支座等。这样既能减小整体刚度，又不增大构件中的应力。10.6.2 提高疲劳强度的措施提高构件的疲劳强度，就是提高构件各部位的许用应力范围。由式(11-12)画出各类构件和连接的-N曲线，比较图中各类别的-N曲线可知，类别号越低，疲劳强度越高。为了提高构件的疲劳强度，在设计和制造构件时，应尽量选择类别号较低的构件和连接的设计形式和制造工艺。因为疲劳裂纹大多

15、发生在有应力集中的部位、焊缝及构件表面，所以，一般来说，提高构件疲劳强度应从减缓应力集中、提高加工质量等方面入手:(1)合理设计构件形状，减缓应力集中合理设计构件形状，减缓应力集中。构件上应避免出现有内角的孔和带尖角的槽；在截面变化处，应使用较大的过渡圆角或斜坡；在角焊缝处，应采用坡口焊接。(2)选择合适的焊接工艺，提高焊接质量选择合适的焊接工艺，提高焊接质量。要保证较高的焊接质量，最好的方法是采用自动焊接设备。(3)提高构件表面质量提高构件表面质量。制造中，应尽量降低构件表面的粗糙度；使用中，应尽量避免构件表面发生机械损伤和化学损伤(如腐蚀、锈蚀等)。(4)增加表层强度增加表层强度。适当地进行表层强化处理，可以显著提高构件的疲劳强度。如采用高频淬火热处理方法，渗碳、氮化等化学处理方法，滚压、喷丸等机械处理方法。这些方法在机械零件制造中应用较多。(5)采用止裂措施采用止裂措施。当构件上已经出现了宏观裂纹后，可以通过在裂尖钻孔、热熔等措施，减缓或终止裂纹扩展，提高构件的疲劳强度。本章结束本章结束