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1、第十七章 构件的疲劳强度,在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构件承受随时间周期性变化的应力，这种应力称为交变应力。 交变应力与疲劳破坏密切相关。 本章介绍交变应力的基本概念、持久极限以及影响因素和疲劳强度计算等 。,17.1交变应力与疲劳破坏,A点应力：1-2-3-4-1,交变应力的特点：,1、交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限 ， 甚至小于屈服极限 。,2、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形， 且为突然断裂，通常称疲劳破坏。,3、疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可 见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩 展的弧形线。,交变应力
2、与疲劳破坏,交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。,疲劳破坏产生的过程可概括为：,裂纹形成 裂纹扩展 断裂,交变应力与疲劳破坏,金属疲劳造成的事故,1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。 据150多年来的统计，金属部件中有80以上的损坏是由于疲劳而
3、引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。,17.2 交变应力的循环特性和应力幅值,应力循环:一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变 化又回到这一数值的一个过程。,平均应力：,应力幅：,循环特征：,且,以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足,具体描述一种叫变应力，可用最大应力 和循环应力r， 或用平均应力 和应力幅值 。,几种典型的交变应力情况,不稳定的交变应力： 、 不是常量， 变化 （不等幅情况）。,稳定的交变应力： 、 均不变，
4、 为常数 （等幅情况）；,交变应力的循环特性和应力幅值,（1）对称循环：如受弯的车轴,（2）脉动循环：如齿轮,（3）静应力：如拉压杆,（4）非对称循环：,，,17.3 材料的疲劳极限及其测定,疲劳寿命：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应 力循环次数，记作 N，与 及 r 有关。,在一定的循环特征 r 下：,疲劳极限或有限寿命持久极限： 材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳破环的最大应力值，记作 。,无限寿命疲劳极限或持久极限 ： 当 不超过某一极限值，材料可以经受“无数次”应力循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。,值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一
5、。测定该值的方法为：,试件：d=7-10mm，表面磨光的小试件6-10 根。,机器：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）,循环基数：钢： （出现水平渐近线） 有色金属： 规定 名义疲劳极限），疲劳曲线不出现水平渐近线。,步骤：,材料的疲劳极限及其测定,先取 ，经过 次循环后断裂;,再取 （比 减少20-40MPa） ，经过 次循环后断裂;,如果第七根试件在 下经历了 次循环次数 而不断裂，并 或 ， 则 即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一根试件的试 验。,材料的疲劳极限及其测定,17.4 影响疲劳极限的因素,构件的持久极限是指构件可以经受“无数次”应力循环而不发生破坏的最大交变应力值。与材料的
6、持久极限相比必须考虑一下因素：,1、构件外形引起的影响应力集中,K称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；K称为扭转时的有效应力集中系数。K与Kr均是大于1的数值。有效应力集中系数K或Kr与材料性质有关:,(1)钢的强度极限b愈高，有效应力集中系数K或K愈大。钢的组 织愈均匀，晶粒愈细，其抗拉强度呢愈高，因此高强度钢的K 及K之值比低炭钢的大，即应力集中对高强度钢的疲劳极限影 响较大。,(2) r/d愈大，应力集中系数K及K愈小，所以增大构件的圆角半 径r,可以降低应力集中的影响。,2. 构件尺寸的影响试验证实 ：疲劳极限随尺寸的增加而降低，设1 和1 为光滑大试件的疲劳极限，1 与 1 为用
7、光滑小试件（d=710 mm）的疲劳极限,尺寸系数定义为：,3、构件表面状态的影响,（1）表面加工影响：表面加工系数,为不同表面加工的构件的持久极限， 为表面磨光构件的持久极限。,（2）表面腐蚀影响：表面腐蚀系数,为腐蚀介质中构件的持久极限， 为空气中构件的持久 极限。,（3）表面强化影响：表面强化系数,为以不同强化方法处理构件的持久极限， 为未经强化 构件的持久极限。,以上 、 、 总称为表面状态系数，以表示。在计算中，根据具体情况取其中主要因素，一般不将各值相乘。即,对称循环下的构件疲劳强度计算,在考虑应力集中、尺寸大小和表面状态的综合影响后，构件在循环特征 r=-1 下的疲劳极限为：,构,对称循环下的构件疲劳强度计算,规定安全系数为 n，则构件的许用应力为,因此，强度条件为,提高构件疲劳强度的关键：消除或改善各类情况下的应力集中以及提高构件表层的强度。在构件外观设计上尽量避免开空或带尖角的槽，在构件截面尺寸急剧改变处，应尽量增大过渡圆角半径，降低应力集中。,
