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1、第14章疲劳第1页，本讲稿共33页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，本讲稿共33页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，这种应力叫做交变交变应力应力(alternating stress)。F第3页，本讲稿共33页t第4页，本讲稿共33页4aaLp p例例观察车轮上一点观察车轮上一点tydo312zy第5页，本讲稿共33页to41321第6页，本讲稿共33
2、页平均应力(average stress)应力幅(stress amplitude)应力比(stress ratio)第7页，本讲稿共33页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,mamax2r=-1第8页，本讲稿共33页mtminmaxaTminmaxatm对称循环脉动循环第9页，本讲稿共33页minmax1r=静循环tmminmax0=a第10页，本讲稿共33页 疲劳疲劳(fatigue)金属构件经过一段时间交应力的作用后发生的断裂现象，称为疲劳（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，本讲稿
3、共33页1、最大应力远小于静荷强度2、破坏方式：脆性断裂3、破坏断口：光滑区粗糙区疲劳破坏第12页，本讲稿共33页14.2 持久极限持久极限(fatigue limit)材料的持久极限材料的持久极限实验表明，在同一循环特征下，交变应力的最大应力 越大，破坏前经历的循环次数越少；反之，降低 ，便可使破坏前经历的循环次数增多。在 减小到某一临界值时，试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏这一临界值称为材料的持久极限或疲劳极限。用 表示。maxmaxrmax第13页，本讲稿共33页在在纯纯弯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上较简单。术上较简单。将将材材料料加
4、加工工成成最最小小直直径径为为 710mm，表表面面磨磨光的试件，每组试验包括光的试件，每组试验包括 6 10根试件。根试件。FFFFn第14页，本讲稿共33页Nmax-1107r循环特征循环特征第15页，本讲稿共33页 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-=其影响程度用有效应力集中系数表示：第16页，本讲稿共33页第17页，本讲稿共33页二、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)(-=d小于1第18页，本讲稿共33页t第19页，本讲稿共3
5、3页三、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)(-=第20页，本讲稿共33页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
6、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第21页，本讲稿共33页一一、对对 称称 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，本讲稿共33页例例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：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由表查尺寸系数f50f
7、40r=52514050.dD=1250405.dr=5511000.k,MPab=时551900.k,MPa b=时551920.k,MPa b=时770.=第23页，本讲稿共33页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应用直线插值法由表查尺寸系数2811000.k ,MPab=t时251900.k MPab=t时，时 MPa b920=261900920900100251281251.)(.k=-+=t810.=t第24页，本讲稿共33页例例2 旋转碳钢轴上作用一不变的力偶旋转碳钢轴上作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表面，轴表面经过精车，经过精车，b=600M
8、Pa，1=250MPa，规定规定n=1.9校核轴校核轴的强度。的强度。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f70f50r=7.5MMminmaxWM-=MPa.265050328003=p1-=maxminr第25页，本讲稿共33页 强度校核强度校核 求k：求：查图得查图得求 ：表面精车，=0.94安全MPa ;.dr ;.dD b60015041=Q41.k790.MPa.n kn86925041919407901011=-1-max第26页，本讲稿共33页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：构件外形设计应注意尽量避免应力集中，如带有
9、尖角的孔和槽部都应避免适用。对于常见的阶梯孔，在轴面尺寸突变处应采用半径足够大的过渡圆角。对于难以加大过渡圆角的情形，可以在直径较大部分轴上开减荷槽，也可有效降低应力集中。第27页，本讲稿共33页表面处理：对构件表层进行强化处理，如高频淬火、氮化、渗碳、喷丸等，可减少形成疲劳裂纹的机会，这些情况下表面质量因数一般都大于1，也有助于提高构件的疲劳强度。表面质量：构件表面加工应有较低的粗糙度，并应注意避免各种机械损伤（如划痕、打印）或其他损伤（如锈蚀）。对于高强度钢一类对应力集中比较敏感的材料，更需要保持较高的表面质量。第28页，本讲稿共33页一一、应应力力速速率率对对材材料力学性能的影响料力学性
10、能的影响低碳钢2O1静荷载动荷载14.6 其他相关力学性能简介dtd=&时称为动载 3&第29页，本讲稿共33页二、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0 100 200 300 400 500216177137700600500400300200100100908070605040302010Ed)(Co第30页，本讲稿共33页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，本讲稿共33页温度降低，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 Dl(mm)P(kN)-0 5 10 15 302010 0中碳钢 第32页，本讲稿共33页构件的工作段不能超过稳定阶段 tOABCDE不稳定阶段稳定阶段加速阶段破坏阶段 0材料的蠕变曲线第33页，本讲稿共33页