第15章疲劳强度

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1、第十五章疲劳强度15.1交变应力及疲劳破坏随吋间循环变化的应力称为循环应力或交变应力(alternatingstress),循环应力随时I'可变化的历程称为应力谱(stressspectrum)0构件内的交变应力有的是受随时间变化的载荷作用引起的，如图15-la所示的蒸汽机汽缸工作示意图，在活塞杆往复运动时，通过连杆带动曲柄轴运动。活塞杆时而受拉，时而受压,杆内应力随时间交替地变化如图15-lb所示。(a)(b)图15-1有的交变应力是载荷虽不变而构件本身却在转动(或改变位置)所引起的。图15-2a为机车轮轴受力示意图.车厢载重作用在车轴上的F力是不变的。但因车轴随车轮在转动，轴横截而上一

2、点处的弯曲止应力随时间交替地变化。轮轴中间段某一截面上A点的应力随时I'可变化的曲线如图15-2b所示。A点取在中性轴上，当轴逆吋针旋转一周吋，A点依次到达1,2,3位置后再回到A点，其正应力依次由零增到0押，又降为零，再变到any最后回到零。轴不断转动，A点应力就不断地重复以上变化。应力变化一个周期称为一个应力循环(stresscycle)oxxxxxxxxxxxxxxFFf7maxlai@15-2交变应力可能是周期性的，也可能是随机性的；它可以是循环变化的正应力，也可以是循环变化的剪应力，统一可用S符号表示，记作广义应力。较常见的交变应力如图15-3所示，应力在两个极值之间周期性变化。

3、在一个应力循环中，代数值最大的应力称为最大应力Smax(maximumstress),最小的称为最小应力Smin（minimumstress）,它们的平均值称为平均应力（meanstress）,即—~(Smax+Smin)厶平均应力表示了应力循环屮应力不变的部分，相当于静应力部分。Ol图15-3Smax与Smin之差的一半称为应力幅（stressamplitude）o即Sq—~(S'max—Smin应力幅表示了应力从平均应力变动到最大或最小应力的幅度，相当于交变应力中的动应力部分。应力变化的特点，对以用最小应力与最大应力的比值『来表示，并称为应力比（stressratio）或循坏特征，即m

4、ax£°maxVQminmax(15-1)循环特征厂是表示交变应力的一个重要参数。显然，r在+1与・1Z间变化。通常用Smax,Sinin,S/n,Sa,r这五个参数来描述一种交变应力。知道其中任意两个，就可以确定其他三个参数。根据不同的循环特征，常把交变应力分成两大类：对称循环（r=-D和非对称循环（『H-1）。上述广义应力记号S泛指正应力和剪应力。若为拉-压交变或反复弯曲交变，则所有符号屮的S均为<7;若为反复扭转交变，则所有S均为且未计及应力集中的影响，即由理论计算公式得到，如A（拉伸）MyZ（平面弯曲）Tp（圆圆截面杆扭转）工程中常见的几种交变应力及其参数，列于表15-1中。表15

5、-1几种常见的交变应力及其参数交变应力类型应力谱循环特征与vmax丿Sin6与m疲劳极限6实例对称循环i(J••LJitr=-l^max_~^inin6=bmax6=0Cl机车车轴脉动循环1rc//」I—.j.i1_r=06iaxH0bmin=01"a=—^max_1m_^max叭齿轮啮合中的齿非对称循环0I/1f1*—¥J/・1J)丄1Tc0--l

6、tr=l="max6=06=^max（6）静力拉杆在交变应力作用下，构件产生的破坏习惯上称为疲劳破坏（fatiguefailure）,而构件抵抗疲

7、劳破坏的能力称为疲劳强度（fatiguestrength）o大量实例表明，构件的疲劳破坏与静载荷下的破坏截然不同.疲劳破坏具有以下特点：1）破坏时应力低于材料在静载荷作用下的强度极限，甚至低于材料的屈服极限；2）疲劳破坏有一个过程，需经历一定数量的应力循环后才能出现；3）即使是塑性材料，破坏时一般也无明显的塑性变形，即表现为脆性断裂；4）同一疲劳破坏断口，一般都有明显的光滑区域与粗粒状区域。早期人们对疲劳破坏的原因解释为：经过长期应力循环后，材质因“疲劳”致使脆化。后来大量的实验研究表明：疲劳破坏是由于构件外形尺寸突变处、材质不均匀或有缺陷处，易形成局部的高应力区，在长期的应力循环下，这些

8、部位首先萌生细微裂纹，成为裂纹源。裂纹源处的应力集屮促使细微裂纹逐步扩展形成宏观裂纹。随着应力的交替变化，裂纹处的材料时而互相挤压，时而分离（如拉、压或弯曲交变应力），裂纹面发生“研磨'，从而形成光滑区。随着应力循坏次数的不断增加，裂纹进一步扩展，构件有效承载面积不断减小，应力亦随Z增大。当遇到超载、冲击或振动等偶然因素时，构件就会突然断裂。这时断口呈现颗粒状的粗糙区。图15-4所示为典型的疲劳破坏断口，可见其上疲劳源区