【正文】 種載荷稱為對(duì)稱交變疲勞載荷。在交變載荷作用下，桿內(nèi)橫截面上的應(yīng)力將由拉應(yīng)力到壓應(yīng)力不斷周期性交替變化著。 第 2章 直桿的基本變形 圖 255火車輪軸 材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞，稱為疲勞破壞。它與靜應(yīng)力下的破壞有著本質(zhì)的不同，其特點(diǎn)是： ①交變應(yīng)力產(chǎn)生破壞時(shí)，最大應(yīng)力低于靜載下的材料的強(qiáng)度極限 Rm，有時(shí)甚至低于屈服極限 Rel； ②疲勞破壞時(shí)，材料發(fā)生突然斷裂，即使塑性很好的材料，破壞時(shí)也無明顯的塑性變形； ③構(gòu)件疲勞破壞的斷口上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)明顯不同的區(qū)域：粗糙區(qū)和光滑區(qū)（圖 256）； ④在交變應(yīng)力下，材料發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力大小有關(guān)；應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。 第 2章 直桿的基本變形 疲勞破壞的解釋一般是：當(dāng)交變應(yīng)力的大小超過一定限度時(shí)，經(jīng)過多次循環(huán)后，在構(gòu)件的應(yīng)力最大處或材料的缺陷處產(chǎn)生很細(xì)的裂紋，形成裂紋源。 圖 256疲勞破壞的斷口 疲勞失效機(jī)理 裂紋源 光滑區(qū) 粗糙區(qū) 裂紋擴(kuò)展 脆斷 第 2章 直桿的基本變形 隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)大，裂紋兩邊的材料時(shí)而壓緊，時(shí)而分離，就形成了斷口表面的光滑區(qū)。隨著裂紋的不斷擴(kuò)大，構(gòu)件橫截面的有效面積逐漸縮??；當(dāng)截面面積減小到一定程度時(shí)，由于一個(gè)突然的振動(dòng)和沖擊，使構(gòu)件突然斷裂，形成了斷口的粗糙區(qū)。因此，疲勞破壞的過程，實(shí)際就是裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展，直至構(gòu)件最后斷裂的全部過程。 2．疲勞破壞的危害 材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞，稱為疲勞破壞。疲勞是由于遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)的載荷反復(fù)作用而引起的損傷累積過程。這一過程十分危險(xiǎn)，因?yàn)槿糨d荷只作用一次，可能不會(huì)產(chǎn)生任何不良影響，而常規(guī)的應(yīng)力分析會(huì)得出材料處于安全狀態(tài)的假定，但實(shí)際上并非如此。 第 2章 直桿的基本變形 疲勞破壞案例 1 圖 257塔式起重機(jī) 2023年，某市的建筑工地中，一臺(tái)塔機(jī)在混凝土起吊作業(yè)過程時(shí)，上半塔機(jī)部件傾覆，造成 1人死亡，如圖 257所示。事故的原因是由于未對(duì)塔機(jī)進(jìn)行基本的日常維護(hù)與管理而導(dǎo)致螺栓疲勞破壞、部分材料撕裂，以至最終傾覆。 第 2章 直桿的基本變形 疲勞破壞案例 3 1998年 5月，德國(guó)高速列車出軌，如圖 258所示，原因是列車大軸發(fā)生疲勞破壞。 圖 258德國(guó)高速列車出軌 第 2章 直桿的基本變形 3． 材料的疲勞強(qiáng)度 （ 1）疲勞強(qiáng)度 疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力，又稱為疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗(yàn)。一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，鋼在經(jīng)受 107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受 108次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。 （ 2）影響疲勞強(qiáng)度的因素 ①構(gòu)件外形的影響（應(yīng)力集中的影響） 機(jī)械工程中的構(gòu)件，常常存在過渡圓角或在桿件上有鍵槽、油孔、螺紋等。在這些部位將產(chǎn)生應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力增高，因而容易導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋，顯著降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。 ②構(gòu)件尺寸的影響 構(gòu)件尺寸越大，材料內(nèi)存在氣泡雜質(zhì)等缺陷的可能性也就越多，產(chǎn)生“疲勞”源的機(jī)會(huì)也就越大，因此疲勞強(qiáng)度降低。 ③構(gòu)件表面質(zhì)量的影響 由于不同的加工方法造成構(gòu)件表面粗糙度不同，因此也就呈現(xiàn)出不同的應(yīng)力集中。表面粗糙度越高，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，其疲勞強(qiáng)度也就越低。 第 2章 直桿的基本變形 4．提高疲勞強(qiáng)度的措施 根據(jù)疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生。因此設(shè)法避免或減弱應(yīng)力集中，可以有效提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面來提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。 （ 1）合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的外形 構(gòu)件截面改變?cè)郊ち?，?yīng)力集中系數(shù)就越大。因此工程上常采用改變構(gòu)件外形尺寸的方法來減小應(yīng)力集中。如采用較大的過渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時(shí)，可采用間隔環(huán)。如圖 259（ a）所示，這樣既降低了應(yīng)力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可采用凹圓角（圖 259b）或卸載槽（圖 259c）以達(dá)到應(yīng)力平緩過渡。 細(xì)實(shí)線 粗實(shí)線 出來的短線剪掉 ！ 圖 259合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的外形 第 2章 直桿的基本變形 設(shè)計(jì)構(gòu)件外形時(shí)，應(yīng)盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當(dāng)結(jié)構(gòu)需要直角時(shí)，可在直徑較大的軸段上開卸載槽或退刀槽減小應(yīng)力集中；當(dāng)軸與輪轂采用靜配合時(shí)，可在輪轂上開減荷槽或增大配合部分軸的直徑，并采用圓角過渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應(yīng)力集中。 （ 2）提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量 一般說，構(gòu)件表層的應(yīng)力都很大，例如在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件中，其最大應(yīng)力均發(fā)生在構(gòu)件的表層。同時(shí)由于加工的原因，構(gòu)件表層的刀痕或損傷處，又將引起應(yīng)力集中。因此，對(duì)疲勞強(qiáng)度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼這類對(duì)應(yīng)力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細(xì)。 （ 3）提高構(gòu)件表面強(qiáng)度 常用的方法有表面熱處理和表面機(jī)械強(qiáng)化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火 、滲碳 、氰化、氮化等措施，以提高構(gòu)件表層材料的抗疲勞強(qiáng)度能力。表面機(jī)械強(qiáng)化通常采用對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行滾壓、噴丸等，使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應(yīng)力，從而提高表層強(qiáng)度。 第 2章 直桿的基本變形 * 壓桿穩(wěn)定的概念 1．壓桿穩(wěn)定的實(shí)例 工程中屬于壓桿穩(wěn)定的例子很多，如圖 260所示，重型貨車的卸料撐桿，磨床中的活塞桿，千斤頂?shù)捻敆U在工作時(shí)都承受壓力，還有壓縮機(jī)、蒸氣機(jī)與內(nèi)燃機(jī)中的連桿，車床中的走刀絲桿等。對(duì)這些壓桿，必須保證它們具有足夠的穩(wěn)定性，否則會(huì)造成嚴(yán)重的事故。歷史上就曾因壓桿失穩(wěn)而造成多次橋梁倒塌事故。因此研究壓桿的穩(wěn)定性是非常必要的。 a）撐桿 b）活塞桿 第 2章 直桿的基本變形 C）千斤頂?shù)捻敆U 圖 260壓桿穩(wěn)定的工程實(shí)例 2．壓桿穩(wěn)定的概念 在壓力作用下的粗短桿，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，將發(fā)生塑性變形或斷裂。這種破壞是由于強(qiáng)度不足而引起的，只要壓桿滿足強(qiáng)度條件，就能保證安全工作。這個(gè)結(jié)論對(duì)粗短桿是正確的，但對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿來說就不適用了。 例如，一根寬 3cm，厚 5mm，長(zhǎng) 30cm的矩形截面的木桿（圖 261），設(shè)其許用應(yīng)力 [σ]＝ 40MPa，按壓縮強(qiáng)度條件計(jì)算，它的承載能力為 P≤A[σ]＝ 5 30 40 103＝ 6KN。 第 2章 直桿的基本變形 圖 261木桿受壓 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)桿長(zhǎng)為 100cm，則只需要 30N的壓力，桿就會(huì)變彎；壓力若再增大，桿將產(chǎn)生顯著的彎曲變形而失去工作能力。這說明細(xì)長(zhǎng)壓桿喪失工作能力，是由于它不能保持原來的直線形狀而造成的。可見，細(xì)長(zhǎng)壓桿的承載能力不取決于它的壓縮強(qiáng)度條件，而取決于它保持直線平衡狀態(tài)的能力。 壓桿保持原有直線平衡狀態(tài)的能力 ，稱為 壓桿的穩(wěn)定性 ；反之，壓桿喪失直線平衡狀態(tài)而被破壞的現(xiàn)象，稱為 喪失穩(wěn)定或失穩(wěn) 。 第 2章 直桿的基本變形 思考與練習(xí) 1．選擇題（將正確答案的字母序號(hào)填入括號(hào)內(nèi)） （ 1）如圖 262所示結(jié)構(gòu)，若用鑄鐵制作桿 1，用低碳鋼制作桿 2，是否合理 ? ( ) A．合理 B．不合理 C．無法判斷 圖 262 （ 2）什么是純彎曲 ? ( ) A．載荷與約束力均作用在梁的縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的彎曲 B．剪力為常數(shù)的平面彎曲 C．只有彎矩而無剪力的平面彎曲 第 2章 直桿的基本變形 （ 3）試分析如圖 263所示，圓截面扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力分布，正確的是（ ）。 圖 263 A B C D 2．計(jì)算題 （ 1） 試求如圖 264所示，各桿 1 2 33截面的軸力。 a） b） 圖 264 第 2章 直桿的基本變形 （ 2）如圖 265所示，一重量為 710 N的電動(dòng)機(jī)，采用 M8吊環(huán)，螺釘根部直徑 d =。已知許用應(yīng)力 [σ]= 40MPa，問起吊電動(dòng)機(jī)時(shí)，吊環(huán)螺釘是否安全。（不考慮圓環(huán)部分） 圖 265 第 2章 直桿的基本變形 （ 3）指出圖 266中構(gòu)件的剪切面和擠壓面。 圖 266 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH