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1、,材料力學(xué),,第十四章 疲勞強(qiáng)度,第十四章 疲勞強(qiáng)度,§14–1 概述§14–2 交變應(yīng)力的幾個名詞術(shù)語§14–3 材料持久限及其測定,,,,,,,§14–4 構(gòu)件持久限及其計算§14–5 對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計算§14–6 非常溫靜載下材料力學(xué)性能簡介,,,,§14–1 概 述,一、交變應(yīng)力:構(gòu)件內(nèi)一點處的應(yīng)力隨時間作周期性變
2、化,這 種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。,折鐵絲,疲勞強(qiáng)度,,,,二、疲勞破壞的發(fā)展過程:,1.亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而永久損傷形核。,2.產(chǎn)生微觀裂紋。,3.微觀裂紋長大并合并,形成“主導(dǎo)”裂紋。,4.宏觀主導(dǎo)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。,5.結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或完全斷裂。,,,,材料在交變應(yīng)力下的破壞,習(xí)慣上稱為疲勞破壞。,疲勞強(qiáng)度,三、疲勞破壞的特點:,2.斷裂發(fā)生要經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù),3.破壞均呈脆斷,4.“斷口”分區(qū)明顯。
3、 (光滑區(qū)和粗糙區(qū)),,,,疲勞強(qiáng)度,,§14–2 交變應(yīng)力的幾個名詞術(shù)語,一、循環(huán)特征:,,三、應(yīng)力幅:,二、平均應(yīng)力:,,,,,t,s,疲勞強(qiáng)度,四、幾種特殊的交變應(yīng)力:,1.對稱循環(huán):,,,,,,,s,疲勞強(qiáng)度,,2.脈動循環(huán):,3.靜循環(huán):,五、穩(wěn)定交變應(yīng)力:循環(huán)特征及周期不變。,,,,,,t,s,,疲勞強(qiáng)度,例1 發(fā)動機(jī)連桿大頭螺釘工作時最大拉力Pmax =58.3kN,最小拉力Pmin =55.8kN ,
4、螺紋內(nèi)徑為 d=11.5mm,試求 ?a 、?m 和 r。,解:,,,,疲勞強(qiáng)度,§14–3 材料持久限及其測定,一、材料持久限(疲勞極限): 循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個“最大限度”,構(gòu)件就可以經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞,這個限度值稱為“疲勞極限”,用?r 表示。,二、 ? —N 曲線(應(yīng)力—壽命曲線):,N0—循環(huán)基數(shù)。,?r—材料持久限。,?A—名義持久限。,,,,,疲勞強(qiáng)度,§14–4 構(gòu)件持久限
5、及其計算,一、構(gòu)件持久限—?r 0,?r0 與 ?r 的關(guān)系:,1. K? —有效應(yīng)力集中系數(shù):,2. ?? —尺寸系數(shù):,,,,疲勞強(qiáng)度,3. ? —表面質(zhì)量系數(shù):,如果循環(huán)應(yīng)力為剪應(yīng)力,將上述公式中的正應(yīng)力換為剪應(yīng)力即可。,對稱循環(huán)下 ,r= -1 。上述各系數(shù)均可查表而得。,,,,疲勞強(qiáng)度,例2 階梯軸如圖,材料為鉻鎳合金鋼,?b=920MPa,?–1= 420MPa ,?–1= 250MPa ,分別求出彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力
6、集中系數(shù)和尺寸系數(shù)。,解:1.彎曲時的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù),由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù),由表查尺寸系數(shù),,,,,疲勞強(qiáng)度,2.扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù),由圖表查有效應(yīng)力集中系數(shù),應(yīng)用直線插值法,由表查尺寸系數(shù),,,,疲勞強(qiáng)度,§14–5 對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計算,一、對稱循環(huán)的疲勞容許應(yīng)力:,二、對稱循環(huán)的疲勞強(qiáng)度條件:,,,,疲勞強(qiáng)度,例3 旋轉(zhuǎn)碳鋼軸上,作用一不變的力偶 M=0.8kN·m,軸
7、表面經(jīng)過精車,? b=600MPa,?–1= 250MPa,規(guī)定 n=1.9,試校核軸的強(qiáng)度。,解:① 確定危險點應(yīng)力及循環(huán) 特征,為對稱循環(huán),,,,,,M,M,疲勞強(qiáng)度,③ 強(qiáng)度校核,② 查圖表求各影響系數(shù),計算構(gòu)件持久限。,求K?:,求?? :查圖得,查圖得,求? :表面精車, ? =0.94,安全,,,,疲勞強(qiáng)度,§14–6 非常溫靜載下材料力學(xué)性能簡介,一、應(yīng)力速率對材料力學(xué)性能的影響,,
8、,,疲勞強(qiáng)度,二、溫度對材料力學(xué)性能的影響,總趨勢:,溫度升高,E、?S 、?b下降; ?、? 增大。,溫度下降,?b增大; ?、? 減小。,,,,溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響,疲勞強(qiáng)度,,,,溫度對鉻錳合金力學(xué)性能的影響,疲勞強(qiáng)度,,,,溫度降低,塑性降低,強(qiáng)度極限提高,純鐵,中碳鋼,疲勞強(qiáng)度,溫度降低,?b增大,為什么結(jié)構(gòu)會發(fā)生低溫脆斷?,,,,疲勞強(qiáng)度,構(gòu)件的工作段不能
9、超過穩(wěn)定階段!,,,,e,t,,,,,,,,,,,,,,,O,A,B,C,D,E,不穩(wěn)定階段,穩(wěn)定階段,加速階段,破壞階段,e0,,,,材料的蠕變曲線,疲勞強(qiáng)度,,,,疲勞強(qiáng)度,三、應(yīng)力松弛: 在一定的高溫下,構(gòu)件上的總變形不變時,彈性變形會隨時間而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?,從而使?gòu)件內(nèi)的應(yīng)力變小。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。,,,,疲勞強(qiáng)度,,,,疲勞強(qiáng)度,四、沖擊荷載下材料力學(xué)性能 ·沖擊韌度·轉(zhuǎn)變溫度,溫度降低,?b增
10、大,結(jié)構(gòu)反而還發(fā)生低溫脆斷,原因何在?,溫度降低,?b增大,但材料的沖擊韌性下降,且抗斷裂能力基本不變,所以,結(jié)構(gòu)易發(fā)生低溫脆斷。,,,,疲勞強(qiáng)度,,,1.沖擊試驗試件,,,,,,,,,,,,,,R 0.5,,,,R1,V型切口試樣,U型切口試樣,,疲勞強(qiáng)度,2.沖擊試驗,,,,疲勞強(qiáng)度,① “U”型口試件的沖擊韌性:,②“V”型口試件的沖擊韌性:,③ 冷脆:溫度降低,沖擊韌性下降的現(xiàn)象稱為冷脆。,,,,疲勞強(qiáng)度,,,,疲勞強(qiáng)度,本章結(jié)
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