第十四章第十四章第十四章第十四章 交变应力交变应力交变应力交变应力141 概述概述142 交变应力的几个名词术语交变应力的几个名词术语143 材料持久限及其测定材料持久限及其测定144 构件持久限及其计算构件持久限及其计算145 对称循环下对称循环下构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算146 非常温静载下材料力学性能简介非常温静载下材料力学性能简介14 概概 述述一、交变应力一、交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力称为交变应力。折铁丝折铁丝PP二、疲劳破坏的发展过程二、疲劳破坏的发展过程: :1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。2.产生微观裂纹。3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。4.宏观主导裂纹稳定扩展。5.结构失稳或完全断裂。材料在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。三、疲劳破坏的特点三、疲劳破坏的特点: :2.断裂发生要经过一定的循环次数3.破坏均呈脆断4.“断口”分区明显。 （光滑区和粗糙区）142 交变应力的几个名词术语交变应力的几个名词术语一、循环特征：一、循环特征：三、应力幅：三、应力幅：二、平均应力：二、平均应力：mminmaxaTtmt四、几种特殊的交变应力：四、几种特殊的交变应力：1.对称循环：minmaxaTt2.脉动循环：3.静循环：五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。minmaxatmmminmax例例1 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：143 材料持久限及其测定材料持久限及其测定一、材料持久限一、材料持久限( (疲劳极限疲劳极限) )： 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发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，用r 表示。二、二、 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：N0循环基数。r材料持久限。A名义持久限。N(次数)NAArN0144 构件持久限及其计算构件持久限及其计算一、构件持久限一、构件持久限 r 0 r0 与 r 的关系：1. K 有效应力集中系数：2. 尺寸系数：3. 表面质量系数： 如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。 对称循环下 ，r= -1 。上述各系数均可查表而得。例例2 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系数和尺寸系数。解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数由表查尺寸系数f50f40r=52.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数应用直线插值法由表查尺寸系数145 对称循环下对称循环下构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算一一、对对称称循循环环的的疲疲劳劳容容许许应应力力: :二二、对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件: :例例3 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： 确定危险点应力及循环 特征为对称循环f70f50r=7.5MM 强度校核 求K：求 ：查图得查图得求 ：表面精车， =0.94安全146 非常温静载下材料力学性能简介非常温静载下材料力学性能简介一、应力速率对材料力学性能的影响一、应力速率对材料力学性能的影响低碳钢O1静荷载2动荷载应力速率与屈服极限的关系0 20 40 60 80 100320300280260240220200s (MPa) (MPa/s)二、温度对材料力学性能的影响二、温度对材料力学性能的影响总趋势:温度升高,E、S 、b下降； 、 增大。温度下降,b增大； 、 减小。0 100 200 300 400 500216177137700600500400300200100100908070605040302010E温度对低碳钢力学性能的影响20001750150012501000 750 500 250 0-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 80706050403020100温度对铬锰合金力学性能的影响- P(kN)-0 5 10 15 302010 0 Dl(mm)-0 5 10 15 302010 0 P(kN) Dl(mm)温度降低，塑性降低，强度极限提高纯铁中碳钢 温度降低，温度降低， b增大，为什么结构会发生低温脆断？增大，为什么结构会发生低温脆断？构构件件的的工工作作段段不不能能超超过过稳稳定定阶阶段段！ tOABCDE不稳定阶段稳定阶段加速阶段破坏阶段 0材料的蠕变曲线应力不变温度越高蠕变越快T1T2T3T41234温度不变应力越高蠕变越快三、应力松弛：三、应力松弛： 在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹性变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内的应力变小。这种现象称为应力松弛。温度不变213初应力越大，松弛的初速率越大初始弹性应变不变T1T3T2温度越高，松弛的初速率越大四、冲击荷载下材料力学性能四、冲击荷载下材料力学性能 冲击韧度冲击韧度转变温度转变温度温度降低，b增大，结构反而还发生低温脆断，原因何在？ 温度降低，b增大，但材料的冲击韧性下降，且抗断裂能力基本不变，所以，结构易发生低温脆断。1.冲击试验试件40554055101010102R 0.52R1V型切口试样U型切口试样试件2.冲击试验试件 “U”型口试件的冲击韧性：“V”型口试件的冲击韧性： 冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆。