1、1第11章 交變應(yīng)力(Alternating Stress)授課人：尹久仁211.1 交變應(yīng)力與疲勞失效交變應(yīng)力與疲勞失效(Alternating Stress and Fatigue Failure)實(shí)例齒輪嚙合點(diǎn)受交變應(yīng)力 PAOt3火車車軸承受交變應(yīng)力tIMrIMysin隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力 PPAtt123454交變應(yīng)力引起的失效與靜應(yīng)力作用下，雖然應(yīng)力低于屈服極限，但長(zhǎng)期反復(fù)之后，構(gòu)件也會(huì)突然斷裂。即使是塑性較好的材料，斷裂前卻無明顯的塑性變形。這種現(xiàn)象稱為疲勞失效(Fatigue Failure)。 裂紋區(qū)光亮區(qū)粗糙區(qū)疲勞失效的實(shí)質(zhì)初始缺陷匯集成宏觀裂紋在交變應(yīng)力下

2、擴(kuò)展突然斷裂5 疲勞 (Fatigue) 在循環(huán)加載下，發(fā)生在材料某點(diǎn)處局部的、永久性的損傷遞增過程。經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)后，損傷累積可使材料產(chǎn)生裂紋固1)，或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂(圖2)。出現(xiàn)可見裂紋或者完全斷裂都叫疲勞破壞。法國(guó)的J.-v.彭賽列于1839年首先論述了疲勞問題并提出“疲勞”這一術(shù)語。 但疲勞研究的奠基人則是德國(guó)的A沃勒。他在19世紀(jì)5060年代首先得到表征疲勞性能的S-N曲線，并提出疲勞極限的概念。疲勞研究雖有百余年歷史，文獻(xiàn)極多，但理論不夠完善。近年來，斷裂力學(xué)的進(jìn)展，豐富了傳統(tǒng)疲勞理論的內(nèi)容促進(jìn)了疲勞理論的發(fā)展。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是把微觀理論和宏觀理論結(jié)合起來從本質(zhì)

3、上探究疲勞破壞的機(jī)理。611.2 交變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力交變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力maxmminaatTmaxminrminmax21mminmax21a7對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力的max和min大小相等，符號(hào)相反。max, 0, 1amr脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力變動(dòng)于某一應(yīng)力與零之間 2,2, 0minmaxamamrr靜應(yīng)力也可看作是交變應(yīng)力的特例，這時(shí)應(yīng)力并無變化，故 maxmin, 1mr811.3 持久極限持久極限(Fatigue stress or Fatigue limit) 機(jī)件因疲勞而完全斷裂后的斷口9發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部的疲勞裂紋10 在疲勞宏觀斷口上往往合兩個(gè)區(qū)域：光滑

4、區(qū)域和顆粒狀區(qū)域。疲勞裂紋的起始點(diǎn)稱作廢勞源。實(shí)際構(gòu)件上的疲勞源總是出現(xiàn)在壓力集中區(qū)，裂紋從疲勞源向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂紋的兩個(gè)表面時(shí)而分離，時(shí)而擠壓，這樣就形成了光滑區(qū)域，即疲勞裂紋第二階段擴(kuò)展區(qū)域。第三階段的瞬時(shí)斷裂區(qū)域表面呈現(xiàn)較粗糙的顆粒狀。如果循環(huán)應(yīng)力的變化不是穩(wěn)態(tài)的，應(yīng)力幅不保持恒定，裂紋擴(kuò)展忽快、忽慢或者停頓，則在光滑區(qū)域上用肉眼可看到貝殼狀或海灘狀紋跡的疲勞弧線。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞斷口上的貝殼狀紋跡11 為了便于分析研究，常常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲為了便于分析研究，常常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類：勞分為兩類：高循環(huán)疲勞高循環(huán)疲勞(高周疲勞高周疲勞)： 破壞循環(huán)次數(shù)高于

5、破壞循環(huán)次數(shù)高于104105的疲勞，一般振動(dòng)元件、的疲勞，一般振動(dòng)元件、傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類。共特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件上的應(yīng)傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類。共特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件上的應(yīng)力水平較低，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系。力水平較低，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系。低循環(huán)疲勞低循環(huán)疲勞(低局疲勞低局疲勞)： 破壞循環(huán)次數(shù)低于破壞循環(huán)次數(shù)低于104105的疲勞典型實(shí)例有壓力的疲勞典型實(shí)例有壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件等的疲勞。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件容器、燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件等的疲勞。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)。很多實(shí)際構(gòu)件在的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)。很多實(shí)際構(gòu)件在變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞既不是純高循環(huán)疲勞也

6、不是變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞既不是純高循環(huán)疲勞也不是純低循環(huán)疲勞，而是二者的綜合。純低循環(huán)疲勞，而是二者的綜合。12疲勞試驗(yàn)xMPaO試樣心軸電動(dòng)機(jī)計(jì)數(shù)器P PaaWPaWM最大彎曲應(yīng)力為 13 疲勞性能疲勞性能 材料抵抗疲勞破壞的能力。高循環(huán)疲材料抵抗疲勞破壞的能力。高循環(huán)疲勞的裂紋形成階段的疲勞性能常以勞的裂紋形成階段的疲勞性能常以S-N曲線表征，曲線表征，S為為應(yīng)力水平應(yīng)力水平，N為疲勞壽命。為疲勞壽命。S-N曲線需通過試驗(yàn)測(cè)定。曲線需通過試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)在給定應(yīng)力比試驗(yàn)在給定應(yīng)力比R或平均應(yīng)力或平均應(yīng)力 m的前提下進(jìn)行，根的前提下進(jìn)行，根據(jù)不同應(yīng)力水平的試驗(yàn)結(jié)果，以最大應(yīng)力據(jù)不同應(yīng)力水平

7、的試驗(yàn)結(jié)果，以最大應(yīng)力 max或應(yīng)力或應(yīng)力幅幅 a為縱坐標(biāo)，疲勞壽命為縱坐標(biāo)，疲勞壽命N為橫坐標(biāo)繪制為橫坐標(biāo)繪制S-N曲線。曲線。表示壽命的橫坐板采用對(duì)致標(biāo)尺；表示應(yīng)力的縱坐標(biāo)表示壽命的橫坐板采用對(duì)致標(biāo)尺；表示應(yīng)力的縱坐標(biāo)采用算術(shù)標(biāo)尺或?qū)?shù)標(biāo)尺。在采用算術(shù)標(biāo)尺或?qū)?shù)標(biāo)尺。在S-N曲線上，對(duì)應(yīng)某一曲線上，對(duì)應(yīng)某一壽命值的最大應(yīng)力壽命值的最大應(yīng)力 max或應(yīng)力幅或應(yīng)力幅 a稱為疲勞強(qiáng)度。疲稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度一詞也泛指與疲勞有關(guān)的強(qiáng)度問題。為了模擬勞強(qiáng)度一詞也泛指與疲勞有關(guān)的強(qiáng)度問題。為了模擬實(shí)際構(gòu)件缺口處的應(yīng)力集中以及研究材料對(duì)應(yīng)力集中實(shí)際構(gòu)件缺口處的應(yīng)力集中以及研究材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性，常需測(cè)定不同應(yīng)力集中系數(shù)下的的敏感性，常需測(cè)定不同應(yīng)力集中系數(shù)下的S-N曲線。曲線。14疲勞性能 材料抵抗疲勞破壞的能力。高循環(huán)疲勞的裂紋形成階段的疲勞性能常以S-N曲線表征。S-N曲線S-N曲線需通過試驗(yàn)測(cè)定。N疲勞壽命，采用對(duì)數(shù)標(biāo)尺S應(yīng)力水平，可用最大應(yīng)力max或應(yīng)力幅 a表示15S-N曲線NO1N2N12NS 1max,2max,116在S-N曲線上，對(duì)應(yīng)某一壽命值的最大應(yīng)力max或應(yīng)力幅a稱為疲