1、第十五章 疲劳强度,材料力学,第十五章 疲劳强度 （Fatigue Strength),151 交变应力及疲劳破坏 152 材料的疲劳极限 153 构件的疲劳极限及其影响因素 154 构件的疲劳强度计算 155 提高构件疲劳强度的措施本章习题,15-1 交变应力及疲劳破坏,一、交变应力(alternating stress) ：随时间循环变化的应力。循环应力随时间变化的历程称为应力谱(stress spectrum),折铁丝:,交变应力,循环特征或应力比(stress ratio) ：,应力幅(stress amplitude) ：,平均应力(mean stress)：,交变应力, 交变应力的
2、名词术语,t,S,Smin,Sm,Smax,T,Sa, 应力循环周期T：,1 对称循环, 几种常见的交变应力：,交变应力,2 脉动循环,交变应力,稳定交变应力：循环特征及周期不变。,交变应力,例15-1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin=55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。,解：,交变应力,二、疲劳破坏(fatigue failure)：在交变应力作用下，构件所发生的破坏。,交变应力,应力集中区在长期交变应力作用下，逐渐形成微观裂纹，成为裂纹源。,裂纹尖端严重的应力集中促使微观裂纹逐渐扩展，形成宏观裂纹。,应力的交替变
3、化使裂纹面发生“研磨”形成光滑区。,裂纹的迅速扩展，使构件截面严重削弱，从而发生突然脆性断裂。,3.断裂发生要经过一定的循环次数；,2.破坏均呈脆断；,4.“断口”分区明显。 （光滑区和粗糙区）,交变应力,疲劳破坏的特点：,疲劳强度(fatigue strength)：构件抵抗疲劳破坏的能力,152 材料的疲劳极限,一、材料持久极限（endurance limit）：循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不坏，这个限度值称为“持久极限”，用r 表示。,二、 N曲线（应力寿命曲线）：,N0循环基数。,r材料持久极限。,A名义持久极限。,交变应力,153 构件的疲劳极限及其
4、影响因素,一、影响构件疲劳极限的因素,有效应力集中系数Kf (effective stress concentration factor),尺寸系数 (size factor),交变应力,表面质量系数 (surface factor),对称循环时：,例15-3-1铬镍合金钢材料的阶梯轴如图，b=920MPa， 1= 420MPa ，1= 250MPa ，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。,解：弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图查有效应力集中系数,由表查尺寸系数,交变应力, 扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数,由图查有效应力集中系数,应用直线插值法,由表查尺寸系数,交变应力
5、,15-4 构件的疲劳强度计算,交变应力,构件的疲劳强度条件：,max为构件内最大的工作应力，r为构件的许用应力 ，n为规定的安全因数。,一、对称循环的疲劳强度条件:,交变应力,构件的工作安全因数：,强度条件：,二、非对称循环的疲劳强度条件:,交变应力,三、弯扭组合变形时构件的强度条件,例15-4-1 旋转碳钢轴上，作用一不变的力M=0.8kNm，轴表面经过精车，b=600MPa，1= 250MPa，n=1.9，试校核轴的强度。,解：确定危险点应力及循环特征,为对称循环,交变应力,强度校核,查图表求各影响系数，计算构件持久极限,(1)求K ：,(2)求 ，查表得：,查图,(3)求 ，表面精车，
6、 =0.94,安全,交变应力,155 提高构件疲劳强度的措施,一、减缓应力集中,交变应力,截面尺寸突变处，采用半径足够大的过渡圆角； 开减荷槽或退刀槽；角焊缝处，采用坡口焊接等。,精加工；使用中避免表面受机械损伤（划伤、打印）或化学损伤（腐蚀、生锈）等。,二、降低表面粗糙度,三、增加表层强度,可采用热处理和化学处理：表面高频淬火、渗碳、氮化等；也可采用机械的方法：滚压、喷丸等。,一、选择题,1、构件在临近疲劳断裂时，其内部 。 A、无应力集中现象； C、无明显的塑性变形； D、不存在裂纹； D、不存在应力。,2、塑性较好的材料在交变应力作用下，当危险点的最大应力低于屈服极限时， 。 A、既不可
7、能有明显塑性变形，也不可能发生断裂； B、虽可能有明显塑性变形，但不可能发生断裂； C、不仅可能有明显的塑性变形，而且可能发生断裂； D、虽不可能有明显的塑性变形，但可能发生断裂。,C,D,本 章 习 题,交变应力,3、自行车在平路上行驶时，其前轮轴中的应力是 。 A、脉动循环应力； B、对称循环应力； C、非对称循环应力； D、不变的弯曲应力。,4、火车运行时，其车箱轮轴中段横截面边缘上任一点的应力为 。 A、脉动循环交变应力； B、对称循环交变应力； C、非对称循环交应应力； D、不变的弯曲应力。,A,B,交变应力,5、齿轮传动时，齿根部某点弯曲正应力的循环特征r= 。 A、-1； B、0
8、； C、1/2； D、1。,B,6、在相同的交变载荷作用下，构件的横向尺寸增大，其 。 A、工作应力减小，持久极限提高； B、工作应力增大，持久极限降低； C、工作应力增大，持久极限提高； D、工作应力减小，持久极限降低。,7、构件在对称循环交变应力作用下的许用应力等于 。 A、材料的持久极限； B、构件的持久极限； C、材料的持久极限与疲劳安全系数之比； D、构件的持久极限与疲劳安全系数之比。,B,D,交变应力,8、当交变应力的 不超过材料的持久极限时，试件可经历无限多次应力循环，而不会发生疲劳破坏。 A、最大应力； B、最小应力； C、平均应力； D、应力幅度。,9、同一材料，在相同的变形形式中，当循环特征 r= 时，其疲劳极限最低。 A、r=-1； B. r=0; C.r=0.5; D.r=1。,A,A,交变应力,10、材料的持久极限与试件的 无关。 A、材料； B、变形形式； C、循环特征； D、最大应力。,D,11、在以下措施中， 将会降低构件的持久极限。 A、增加构件表面光洁度； B、增强构件表层硬度； C、加大构件的几何尺寸； D、减缓构件的应力集中。,C,本 章 结 束,
