交变载荷-打印.doc

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1、从广义来说，零件或构件失效的原因有设计、材料、制造和使用(包括环境)等方面的问题，而设计是首要问题。一个零件或构件的设计主要是指构件功能设计、机械强度设计(包括材料的选用)、外观美工设计等等，而其关键则是机械强度设计。在正规地零件强度设计中首要确定零部件中所承受的载荷和它所产生的应力，其次是根据失效类型确定其许用应力，最后要通过计算使得零部件中的实际工作应力不超过许用应力[s]，即s≤[s]。这就是保证所设计的机械安全运行的强度判据，据此设计计算出零件的合理尺寸与结构。由此可以看出，机械零件采用什么强度判据要凭它的失效形式来确定。

2、失效分析是机械强度设计的根据。因此，作为一个合格的失效分析工作者，必须掌握机械强度设计中的基本知识－－失效分析的力学基础。受拉、压、剪切、扭转、弯曲及复杂静应力作用下的零件的失效形式、应力计算及失效抗力指标在材力课程中已作过详细介绍，这里不再重复。本节重点介绍交变应力下零件的失效和它的失效抗力指标。在工程实际中，许多机件，如轴、齿轮、弹簧等，都是在交变循环应力下工作的。所谓”交变应力”是指应力的大小、方向或大小和方向同时随时间周期改变的应力，这种改变可以是规律的或是随机的。构件在这种交变应力的作用下，经过较长时问的运转而发生断裂的

3、现象叫做金属的疲劳失效。由于下列原因，金属的疲劳破坏对构件的使用具有很大的危害性：1.绝大多数构件承受的应力是周期变化的，据统计，在损坏的机器零件中60％~80％是由疲劳引起的；2.疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，不管材料在静载荷下呈脆性状态还是塑性状态，在疲劳断裂时均表现为脆性断裂－－即疲劳断裂不产生明显的宏观塑性变形并且是突然发生的。因此，如果不采用特殊的监控设备，无法预先察觉疲劳损坏的迹象，也就很难防范偶发性的疲劳断裂事故。3.造成疲劳破坏时，其交变应力的振幅一般比静载荷下的材料抗拉裂强度根据sb低，有时甚至于材料的弹性极限，

4、所以在静载荷下安全工作的零件，在交变载荷下可能变成不安全的；4.在一般情况下，材料对静载荷的抗力主要取决于材料本身；而在交变载荷下，其疲劳的失效抗力对构件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境因素等非常敏感，此外，加工过程对其疲劳抗力也有很大影响；材料内部的宏观、微观的不均匀性对抗疲劳失效性能的影响也远比在静载荷下为大；175.很大一部分构件承受弯曲或扭转或弯曲加扭转应力，这对构件的应力分布都是表面应力最大，而表面情况，如切口、刀痕、粗糙度、氧化、脱炭、腐蚀等对疲劳抗力有极大的影响，这样就增加了疲劳损坏的机会。根据应力、应变及

5、环境的不同，可对疲劳进行分类，如表2－l所列。热疲劳按应力和应变大小分应变疲劳（高应力）－低周疲劳（低循环疲劳）应力疲劳（低应力）－高周疲劳（高循环疲劳）机械疲劳按频率高低分低周疲劳高周疲劳按载荷类型分弯曲疲劳－单向、双向扭转疲劳－单向、双向拉－拉疲劳或拉压疲劳接触疲劳复合载荷下的疲劳复杂环境（或条件）下的疲劳腐蚀疲劳高温疲劳微振疲劳2.1交变应力与交变应变的概念和若干定义为了清楚地看出应力的变化规律，人们将应力s随时间t的交化规律绘成图形。如图2.1所示的正弦波应力。图上各种符合所代表的意义如下：smax—最大应力，smax=s

6、m+sasmin—最小应力，smin=sm-sa17sm—平均应力，sm=(smax+smin)/2sa—应力振幅，sa=(smax-smin)/2sD—应力范围，sD=2sar—应力比，因此，应力振幅也可以写成：同样，交变应变也是在上下两个极值之问随时问作周期性变化的应变，如图2.2所示，取emax为应变幅的最大值，emin为应变幅的最小值，根据最大应变与最小应交之间的关系确定出应变幅em、应变范围eD(eD=2ea)、平均应变em和应交比R。应力或应变幅的最大值为正值，最小为负值时，称为交变。此时其应力比或应变比为负值。当最大

7、值或最小值的绝对相等时，称为完全（或全逆转）交变(即对称循环)，如图2.3。此时smax=-smin，sm=0或emax=-emin，em=0。完全交变的循环特征是r=-1或R=-1。如火车轴的弯曲，曲轴轴颈的扭转及旋转弯曲疲劳试验的试样等都是对称循环的例子。17当最大值和最小值都是正值或负值时，称为脉动。当最小值为零，即smin=0或emin=0时，称为完全脉动，如图2.4所示。完全脉动的循环特征是r=0或R=0。如一些齿轮齿根的弯曲就是完全脉动循环的例子。当r或R等于其它任意数值时则属于非对称循环，如图2.2所示。如汽缸盖螺钉

8、即受大拉小压循环应力，0