交变应力32概要课件.ppt
10.4 交变应力,10.4.1 交变应力,火车轮轴上的力F表示来自车箱的力，大小和方向基本不变。即弯矩基本不变。,横截面上点A 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,交变应力 ：随时间作周期性变化的应力。,10.4 交变应力10.4.1 交变应力火车轮轴上,1、金属材料在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。,裂纹萌生,裂纹扩展,扩展到临界尺寸瞬时断裂,2、疲劳过程一般分三个阶段：,1、金属材料在交变应力作用下的破坏有以下特点：（1）交变应力,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。,交变应力的循环特征、应力幅和平均应力,基本参数,应力每重复变化一次，称为一个应力循环。,r 表示交变应力的 循环特征或应力比,交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异，,在拉、压或弯曲交变应力下,在扭转交变应力下,最大应力和最小应力的差值，称为交变应力的 应力幅a 。,最大应力 与最小应力的平均值叫平均应力，以m 表示。,在拉、压或弯曲交变应力下在扭转交变应力下o一个应力循环ma,注意,最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 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 （ min = - max 或 min = - max ）,r= -1 时的交变应力，称为 对称循环 交变应力。,2、 时的交变应力，称为 非对称循环 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 交变应力。,注意最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 绝对值较大者为,脉动循环,（3）构件在静应力下，各点处的应力保持恒定，即 max= min 。,对称循环,（2）r 0 为同号应力循环； r 0 为异号应力循环。,若将静应力视作交变应力的一种特例，则其循环特征,omaxmin=0脉动循环（3）构件在静应力下，各点处的,10.4.2 持 久 极 限,疲劳寿命 ：试样疲劳破坏时所经历的应力循环次（N）。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 S-N 曲线。,当最大应力降低至某一值后，SN 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 。通常把107次循环下仍为疲劳的最大应力称为钢材的持久极限。,10.4.2 持 久 极 限疲劳寿命 ：试样疲劳破坏时,10.4.3 影响构件持久极限的因素,一、构件外形的影响 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：,10.4.3 影响构件持久极限的因素一、构件外形的影响,CL14TU30,图 14-15(a),CL14TU30图 14-15(a),CL14TU31,图 14-15(b),CL14TU31图 14-15(b),图 14-15(c),图 14-15(c),CL14TU32,图 14-15(d),CL14TU32图 14-15(d),图 14-15(e),图 14-15(e),图 14-15(f),图 14-15(f),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低。,尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸系数表示,下表给出了在弯、扭的对称应力循环时的尺寸系数。,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,交变应力32概要课件,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：,三、构件表面状态的影响 实际构件表面的加工质,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,综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的,10.5.1 对称循环下构件的疲劳强度计算,10.5 对称和非对称循环下构件的疲劳强度计算,10.5.1 对称循环下构件的疲劳强度计算10.5 对称和,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因数和尺寸因数.,解: （1）弯曲时的有效应力集中因数和尺寸因数,由图表查有效应力集中因数:,由表查尺寸因数,当 时,当 时,当 时,例题4 阶梯轴如图,材料为铬镍合金钢,b=920MPa,（2）扭转时的有效应力集中因数和尺寸因数,由图表查有效应力集中因数,当 时,当 时,由表查尺寸因数,（2）扭转时的有效应力集中因数和尺寸因数 由图表查有效,例题5 旋转碳钢轴上,作用一不变的力偶 M=0.8kNm,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,为对称循环,例题5 旋转碳钢轴上,作用一不变的力偶 M=0.8kN,（3）强度校核,（2）查图表求各影响因数,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,（3）强度校核（2）查图表求各影响因数,计算构件持久限.,10.5.2 不对称循环下构件的疲劳强度计算,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sr,即,10.5.2 不对称循环下构件的疲劳强度计算,构件的工作安全因数应为,（a）,（b）,由（b）,（c）两式解出,构件的工作安全因数应为（a）（b）由（b）,（c）两式解出由,强度条件为,扭转强度条件为,代入（a）式,（a）,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Mmax5Mmin512Nm.材料为合金钢,sb950MPa,s-1430MPa,y0.2. 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,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,（2）确定因数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,（2）确定因数K,. 按照圆杆的尺寸,（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,所以静强度也是满足的.,（3）疲劳强度校核 规定的安全因数为n2.,10.5.3 弯扭组合交变应力的强度计算,弯扭组合对称循环下的强度条件,是单一扭转对称循环下的安全因数,10.5.3 弯扭组合交变应力的强度计算 弯扭组合对称循环,例题7 阶梯轴的尺寸如图所示.材料为合金钢,sb=900MPa, s-1=410MPa,t-1=240MPa.作用于轴上的弯矩变化于-1000Nm到+1000Nm之间,扭矩变化于0到1500Nm之间.若规定安全因数n=2,试校核轴的疲劳强度.,解: （1）计算轴的工作应力.,首先计算交变弯曲正应力及其循环特征,例题7 阶梯轴的尺寸如图所示.材料为合金钢,sb=900,其次计算交变扭转切应力及其循环特征,其次计算交变扭转切应力及其循环特征,（2）确定各种因数,根据,由图11.8b查得,由图11.8d查得,由于名义应力smax是按照轴直径等于50mm计算的,所以尺寸因数也应按照轴直径等于50mm来确定,由表11.1查得,由表11.2查得,对合金钢取,（2）确定各种因数根据由图11.8b查得由图11.8d查得,（3）计算弯曲工作安全因数ns和扭转工作安全因数nt,（4）计算弯扭组合交变应力下,轴的工作安全因数nst,所以满足疲劳强度条件,（3）计算弯曲工作安全因数ns和扭转工作安全因数nt（4）计,10.6 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 提高构件抗冲击和疲劳的措施10.6.1 提高,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。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。,10.6.2 提高疲劳强度的措施提高构件的疲劳强度，就是提,(2) 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。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。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。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。,(2) 选择合适的焊接工艺，提高焊接质量。要保证较高的焊接质,本章结束,本章结束,
