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1、第14章疲劳第1页，共33页，编辑于2022年，星期日14.1 研究背景研究背景14.2 持久极限持久极限14.3 对称循环疲劳强度校核对称循环疲劳强度校核14.4 非对称循环疲劳强度校核非对称循环疲劳强度校核14.5 提高疲劳强度的措施提高疲劳强度的措施第2页，共33页，编辑于2022年，星期日14.1 研究背景研究背景 交变应力交变应力应力随时间作周期性变化，这种应力叫做应力随时间作周期性变化，这种应力叫做交变应力交变应力(alternating stress)。F第3页，共33页，编辑于2022年，星期日st第4页，共33页，编辑于2022年，星期日4aaLp p例例观察车轮上一点观察车
2、轮上一点tydo312zy第5页，共33页，编辑于2022年，星期日to41321第6页，共33页，编辑于2022年，星期日平均应力平均应力(average stress)应力幅应力幅(stress amplitude)应力比应力比(stress ratio)第7页，共33页，编辑于2022年，星期日对称循环对称循环非对称循环非对称循环脉动循环脉动循环r=0,sssmamax2r=-1第8页，共33页，编辑于2022年，星期日smtsminsmaxsaTssminsmaxsatssm对称循环对称循环脉动循环脉动循环第9页，共33页，编辑于2022年，星期日minmax1rss=静循环静循环ts
3、smsminsmax0=as第10页，共33页，编辑于2022年，星期日 疲劳疲劳(fatigue)金金属属构构件件经经过过一一段段时时间间交交应应力力的的作作用用后后发发生生的的断裂现象，称为断裂现象，称为疲劳（疲劳（fatigue）。瞬时断裂区瞬时断裂区裂纹扩展区裂纹扩展区Crack propagation疲劳源区疲劳源区第11页，共33页，编辑于2022年，星期日1、最大应力远小于静荷强度、最大应力远小于静荷强度2、破坏方式：脆性断裂、破坏方式：脆性断裂3、破坏断口：光滑区粗糙区、破坏断口：光滑区粗糙区疲劳破坏疲劳破坏第12页，共33页，编辑于2022年，星期日14.2 持久极限持久极限
4、(fatigue limit)材料的持久极限材料的持久极限实实验验表表明明，在在同同一一循循环环特特征征下下，交交变变应应力力的的最最大大应应力力 越越大大，破破坏坏前前经经历历的的循循环环次次数数越越少少；反反之之，降降低低 ，便便可可使使破破坏坏前前经经历历的的循循环环次次数数增增多多。在在 减减小小到到某某一一临临界界值值时时，试试件件可可经经历历无无穷穷多多次次应应力力循循环环而而不不发发生生疲疲劳劳破破坏坏这这一一临临界界值值称称为为材材料料的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。smaxsmaxsrsmax第13页，共33页，编辑于2022年，星期日在在纯纯弯
5、弯曲曲变变形形下下，测测定定对对称称循循环环的的持持久久极极限限技技术术上较简单。上较简单。将将材材料料加加工工成成最最小小直直径径为为 710mm，表表面面磨磨光光的的试件，每组试验包括试件，每组试验包括 6 10根试件。根试件。FFFFn第14页，共33页，编辑于2022年，星期日Nmax-1107r循环特征循环特征第15页，共33页，编辑于2022年，星期日 构件的持久极限构件的持久极限一、构件外形一、构件外形kK)(11-=sss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：第16页，共33页，编辑于2022年，星期日第17页，共33页，编辑于2022年，星期日二
6、、构件尺寸二、构件尺寸(size factor)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低。低。尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸因数表示。尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸因数表示。11)(-=ssesd小于小于1第18页，共33页，编辑于2022年，星期日etes第19页，共33页，编辑于2022年，星期日三、构件表面质量三、构件表面质量(surface factor)实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响，这是因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。若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化的应力集中。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的影响用表面状态系数表示：表示：11)(-=ssbb第20页，共33页，编辑于2022年，星期日14.3 对称循环构件的疲劳强度校核对称循环构件的疲劳强度校核构件在对称循环下的持久极限：构件在对称循环下的持久极限：se bsebsssss-=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第21页，共33页，编辑于2022年，星期日一一、对对 称称
8、循循 环环的的疲疲 劳劳 容容 许许 应应 力力:二二、对对 称称 循循 环环的的疲疲 劳劳 强强 度度 条条 件件:n k n 1011-=1-max第22页，共33页，编辑于2022年，星期日例例1.1.铬铬镍镍合合金金钢钢阶阶梯梯轴轴 b=920MPa，1=420MPa，1=250MPa，求求弯弯曲曲和和扭扭转转时时的的有有效效应应力力集集中中系系数数和和尺尺寸寸系系数。数。解：解：1.1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数由图由图表表查有效应力集中系数查有效应力集中系数由表查尺寸系数由表查尺寸系数f50f40r=52514050.dD=1250405.
9、dr=5511000.k,MPab=时时551900.k,MPa b=时时551920.k,MPa b=时时770.=第23页，共33页，编辑于2022年，星期日2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数由图由图表表查有效应力集中系数查有效应力集中系数应用直线插值法应用直线插值法由表查尺寸系数由表查尺寸系数2811000.k ,MPab=时时251900.k MPab=时，时，时时 MPa b920=261900920900100251281251.)(.k=-+=810.=第24页，共33页，编辑于2022年，星期日例例2 旋转碳钢轴上作用一不变的力偶旋转碳钢轴
10、上作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表面经，轴表面经过精车，过精车，b=600MPa，1=250MPa，规定规定n=1.9校核轴的强校核轴的强度。度。解解：确定危险点应力及确定危险点应力及 循环特征循环特征为对称循环为对称循环f70f50r=7.5MMminmaxWM -=MPa.265050328003=p p1-=maxminr 第25页，共33页，编辑于2022年，星期日 强度校核强度校核 求求k：求求 ：查图得：查图得查图得查图得求求 ：表面精车，：表面精车，=0.94安全安全MPa ;.dr ;.dD b60015041=Q41.k 790.MPa.n kn86925041919
11、407901011=-1-max第26页，共33页，编辑于2022年，星期日14.4 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施结构设计结构设计：构构件件外外形形设设计计应应注注意意尽尽量量避避免免应应力力集集中中，如如带带有有尖尖角角的的孔孔和和槽槽部部都都应应避避免免适适用用。对对于于常常见见的的阶阶梯梯孔孔，在在轴轴面面尺尺寸寸突突变变处处应应采采用用半半径径足足够够大大的的过过渡渡圆圆角角。对对于于难难以以加加大大过过渡渡圆圆角角的的情情形形，可可以以在在直直径径较较大大部部分分轴轴上上开开减减荷荷槽，也可有效降低应力集中。槽，也可有效降低应力集中。第27页，共33页，编辑于2022
12、年，星期日表面处理表面处理：对对构构件件表表层层进进行行强强化化处处理理，如如高高频频淬淬火火、氮氮化化、渗渗碳碳、喷喷丸丸等等，可可减减少少形形成成疲疲劳劳裂裂纹纹的的机机会会，这这些些情情况况下下表表面面质质量量因数一般都大于因数一般都大于1，也有助于提高构件的疲劳强度。，也有助于提高构件的疲劳强度。表面质量：表面质量：构构件件表表面面加加工工应应有有较较低低的的粗粗糙糙度度，并并应应注注意意避避免免各各种种机机械械损损伤伤（如如划划痕痕、打打印印）或或其其他他损损伤伤（如如锈锈蚀蚀）。对对于于高高强强度度钢钢一一类类对对应应力集中比较敏感的材料，更需要保持较高的表面质量。力集中比较敏感的
13、材料，更需要保持较高的表面质量。第28页，共33页，编辑于2022年，星期日一一、应应力力速速率率对对材材料力学性能的影响料力学性能的影响低碳钢低碳钢2Ose1静荷载静荷载动荷载动荷载14.6 其他相关力学性能简介其他相关力学性能简介dtd =&时称为动载时称为动载 3&第29页，共33页，编辑于2022年，星期日二、温度对材料力学性能的影响二、温度对材料力学性能的影响总趋势总趋势:温度升高温度升高,E、S、b 下降，下降，、增大增大温度下降温度下降,b增大增大 、减小减小温度对低碳钢力学性能的影响温度对低碳钢力学性能的影响0 100 200 300 400 50021617713770060
14、0500400300200100100908070605040302010Ed)(Co第30页，共33页，编辑于2022年，星期日温度对铬锰合金力学性能的影响温度对铬锰合金力学性能的影响20001750150012501000 750 500 250 0-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 d80706050403020100第31页，共33页，编辑于2022年，星期日温度降低，塑性降低，强度极限提高温度降低，塑性降低，强度极限提高 Dl(mm)P(kN)-0 5 10 15 302010 0纯铁纯铁 Dl(mm)P(kN)-0 5 10 15 302010 0中碳钢中碳钢 第32页，共33页，编辑于2022年，星期日构构件件的的工工作作段段不不能能超超过过稳稳定定阶阶段段 e tOABCDE不稳定不稳定阶段阶段稳定阶段稳定阶段加速阶段加速阶段破坏破坏阶段阶段 e0材料的蠕变曲线材料的蠕变曲线第33页，共33页，编辑于2022年，星期日