【正文】 種載荷稱為對稱交變疲勞載荷。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，其特點是： ①交變應(yīng)力產(chǎn)生破壞時，最大應(yīng)力低于靜載下的材料的強度極限 Rm，有時甚至低于屈服極限 Rel； ②疲勞破壞時，材料發(fā)生突然斷裂，即使塑性很好的材料，破壞時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和兩個明顯不同的區(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，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)生很細的裂紋，形成裂紋源。 圖 256疲勞破壞的斷口 疲勞失效機理 裂紋源 光滑區(qū) 粗糙區(qū) 裂紋擴展 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，裂紋逐漸擴大，裂紋兩邊的材料時而壓緊，時而分離，就形成了斷口表面的光滑區(qū)。隨著裂紋的不斷擴大，構(gòu)件橫截面的有效面積逐漸縮小；當(dāng)截面面積減小到一定程度時，由于一個突然的振動和沖擊，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。疲勞是由于遠低于屈服點的載荷反復(fù)作用而引起的損傷累積過程。這一過程十分危險，因為若載荷只作用一次，可能不會產(chǎn)生任何不良影響，而常規(guī)的應(yīng)力分析會得出材料處于安全狀態(tài)的假定，但實際上并非如此。 第 2章 直桿的基本變形 疲勞破壞案例 1 圖 257塔式起重機 2023年，某市的建筑工地中，一臺塔機在混凝土起吊作業(yè)過程時，上半塔機部件傾覆，造成 1人死亡，如圖 257所示。事故的原因是由于未對塔機進行基本的日常維護與管理而導(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德國高速列車出軌 第 2章 直桿的基本變形 3． 材料的疲勞強度 （ 1）疲勞強度 疲勞強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。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受 107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受 108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。 （ 2）影響疲勞強度的因素 ①構(gòu)件外形的影響（應(yīng)力集中的影響） 機械工程中的構(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”源的機會也就越大，因此疲勞強度降低。 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，其疲勞強度也就越低。 第 2章 直桿的基本變形 4．提高疲勞強度的措施 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)件的疲勞強度?？梢詮囊韵聨讉€方面來提高構(gòu)件的疲勞強度。 （ 1）合理設(shè)計構(gòu)件的外形 構(gòu)件截面改變越激烈，應(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，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）以達到應(yīng)力平緩過渡。 細實線 粗實線 出來的短線剪掉 ！ 圖 259合理設(shè)計構(gòu)件的外形 第 2章 直桿的基本變形 設(shè)計構(gòu)件外形時，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，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，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，對疲勞強度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對高強度鋼這類對應(yīng)力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細。 （ 3）提高構(gòu)件表面強度 常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。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度能力。表面機械強化通常采用對構(gòu)件表面進行滾壓、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在工作時都承受壓力，還有壓縮機、蒸氣機與內(nèi)燃機中的連桿，車床中的走刀絲桿等。對這些壓桿，必須保證它們具有足夠的穩(wěn)定性，否則會造成嚴(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)力達到屈服極限或強度極限時，將發(fā)生塑性變形或斷裂。這種破壞是由于強度不足而引起的，只要壓桿滿足強度條件，就能保證安全工作。這個結(jié)論對粗短桿是正確的，但對于細長桿來說就不適用了。 例如，一根寬 3cm，厚 5mm，長 30cm的矩形截面的木桿（圖 261），設(shè)其許用應(yīng)力 [σ]＝ 40MPa，按壓縮強度條件計算，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 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)桿長為 100cm，則只需要 30N的壓力，桿就會變彎；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。這說明細長壓桿喪失工作能力，是由于它不能保持原來的直線形狀而造成的?？梢?，細長壓桿的承載能力不取決于它的壓縮強度條件，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填入括號內(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)時的切應(yīng)力分布，正確的是（ ）。 圖 263 A B C D 2．計算題 （ 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的電動機，采用 M8吊環(huán)，螺釘根部直徑 d =。已知許用應(yīng)力 [σ]= 40MPa，問起吊電動機時，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