1、k14-4 交变应力及疲劳破坏交变应力及疲劳破坏ydt 2sinMPa M yIPadItzz2sinCL14TU20t应力随时间作周期性变化，应力随时间作周期性变化，这种应力叫做这种应力叫做交变应力交变应力PadItz2sintCL14TU21t静平衡位置静平衡位置tCL14TU22 试验结果表明试验结果表明:材料在交变应力作用下的材料在交变应力作用下的破坏情况与静应力破坏有其本质的不同。材料破坏情况与静应力破坏有其本质的不同。材料在交变应力作用下破坏的主要特征是在交变应力作用下破坏的主要特征是:(1)因交变应力产生破坏时，最大应力值因交变应力产生破坏时，最大应力值一般低于静载荷作用下材料的
2、抗拉一般低于静载荷作用下材料的抗拉(压压)强度极强度极限限b，有时甚至低于屈服极限有时甚至低于屈服极限s。(2)材料的破坏为脆性断裂，一般没有显材料的破坏为脆性断裂，一般没有显著的塑性变形，即使是塑性材料也是如此。在著的塑性变形，即使是塑性材料也是如此。在构件破坏的断口上，明显地存在着两个区域：构件破坏的断口上，明显地存在着两个区域：光滑区和颗粒粗糙区。光滑区和颗粒粗糙区。(3)材料发生破坏前，应力随时间变化经过材料发生破坏前，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。力愈大，循环次数愈少。粗糙区粗糙区光滑区光滑区裂
3、纹源裂纹源CL14TU25 在交变应力作用下发生的破坏，称为在交变应力作用下发生的破坏，称为疲劳疲劳破坏破坏。用手折断铁丝，弯折一次一般不断，但反用手折断铁丝，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。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，大部分零件，尤其是高速运转的构件的破坏，大部分属于疲劳破坏。属于疲劳破坏。14-5
4、交变应力的循环特征交变应力的循环特征 持久极限持久极限tminmaxm循环特征循环特征CL14TU26r minmax平均应力平均应力mmaxmin2amaxmin2应力幅度应力幅度对称循环对称循环r 1非对称循环非对称循环r 1t,mamax0脉动循环脉动循环r 0,mamax2t 实验表明，在同一循环特征下，交变应实验表明，在同一循环特征下，交变应力的最大应力力的最大应力 越大，破坏前经历的循环越大，破坏前经历的循环次数越少；次数越少；maxmaxmaxr 反之，降低反之，降低 ，便可使破坏前，便可使破坏前经历的循环次数增多。经历的循环次数增多。在在 减小到某一减小到某一临界值时，试件可经
5、历无穷多次应力循环而临界值时，试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，不发生疲劳破坏，这一临界值称为材料的这一临界值称为材料的持久极限持久极限或或疲劳极限疲劳极限。用。用 表示。表示。在纯弯曲变形下，测定对称循环的持久极在纯弯曲变形下，测定对称循环的持久极限技术上较简单。限技术上较简单。CL14TU27 将材料加工成最小直径为将材料加工成最小直径为 710mm，表表面磨光的试件，每组试验包括面磨光的试件，每组试验包括 6 10根试件。根试件。CL14TU28第一根试件：max160%bN1N2max1max2rmaxNCL14TU29N1第二根试件：略小于maxmax21N2第三根试件：m
6、ax3N314-6 影响构件持久极限的因素影响构件持久极限的因素一、构件外形的影响一、构件外形的影响 若构件上有螺纹、键槽、键肩等，其持若构件上有螺纹、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。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：其影响程度用有效应力集中系数表示：Kdk()()11光滑试件的持久极限有应力集中的试件的持久极限CL14TU30KrdDd11.MMDdrb 900MPa图图 14-15(a)b 600MPaCL14TU31Krd1112.DdMMDdrb 900MPa图图 14-15(b)rd122.DdMMDdrb 900MPa图
7、图 14-15(c)KCL14TU32rdTTK图图 14-15(d)Dd11.rdTTK图图 14-15(e)1112.DdrdTTK图图 14-15(f)122.Dd二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响 大试件的持久极限比小试件的持久极限要大试件的持久极限比小试件的持久极限要CL14TU40低低尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸系数表示尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸系数表示()11光滑大试件的持久极限光滑小试件的持久极限 下表给出了在弯、扭的对称应力循环时的下表给出了在弯、扭的对称应力循环时的尺寸系数。尺寸系数。表表 14-1 尺寸系数尺寸系数直径直径 d(mm)碳钢碳钢合金钢合金钢 各种
8、钢各种钢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有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。的刀痕将呈现不同程度的应力集
9、中。()()11 d其他加工情况的构件的持久极限表面磨光的试件的持久极限若构件表若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理，其持久面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理，其持久极限也就得到提高。极限也就得到提高。表面质量对持久极限的表面质量对持久极限的影响用表面状态系数影响用表面状态系数表示：表示：综合考虑上述三种影响因素，构件在对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称循环下的持久极限 1011KK 为有效应力集中系数为尺寸系数为表面状态系数为表面磨光的光滑小试件的持久极限四、对称循环下构件的疲劳强度计算四、对称循环下构件的疲劳强度计算上一小节已求得 101K构件的许用应力 1101nKn构件的强度条件max1作业（作业（P278-280）1，2，4，78（将图中（将图中P=70kN改为改为P=700N）12（将题中将题中Q=250kN改为改为Q=250N）
