第十二章交变应力与疲劳失效 §12-1交变应力与疲劳失效的概念 1.交变应力 有些构件工作时,承受着随时间作周期性变化的应力,这种应力就称为交变应力或称为 循环应力。例如齿轮每旋转一周,每个轮齿只啮合一次。啮合时,作用于轮齿上的力F由零 迅速增加到最大值,然后又减小为零,引起齿根部的弯曲正应力也由零增到最大值,然后再 减小为零,见图12-1。又如火车轮轴上受到来自车厢和车架等的力F,大小和方向基本不变 也就是说弯矩基本不变。但是轮轴以角速度ω转动时,横截面上除轴心以外的任意一点处 的弯曲正应力将随时间周而复始地在等值的拉应力和压应力之间交替变化。以点A为例,点 A到中性轴的距离y是随时间t变化的,见图12-2,若轴的半径为R,点A的弯曲正应力可 1 图12-1 My MR (a) 图12-2 2疲劳失效的概念及其特点 设计不当或加工工艺有问题的构件,在交变应力作用下,经过长期的应力重复变化,会 发生骤然断裂,这种破坏现象习惯上称为疲劳失效。疲劳失效是一种损伤积累的过程,因此 它和静应力引起的破坏完全不同,其特点为 (1)疲劳失效时的最大工作应力远低于材料在静载下的强度指标时破坏就可能发生,但 不是立刻发生的,而要经历一段时间,甚至很长的时间 (2)无论何种材料制成的构件,发生疲劳失效时,均表现为脆性断裂,即使是塑性较好 的材料,断裂前也没有明显的塑性变形。 疲劳破坏曾被误认为是材料经过长期服役后,因疲劳而引起材质的脆化导致骤然断裂 的。虽然近代的实验研究结果已否定了这种错误观点,但习惯上仍称之为疲劳失效或疲劳破 坏。据统计,机械零件,尤其是高速运转构件的破坏,大部分属于疲劳失效问题,而疲劳破 22 第十二章 交变应力与疲劳失效 §12-1 交变应力与疲劳失效的概念 1. 交变应力 有些构件工作时，承受着随时间作周期性变化的应力，这种应力就称为交变应力或称为 循环应力。例如齿轮每旋转一周，每个轮齿只啮合一次。啮合时，作用于轮齿上的力 F 由零 迅速增加到最大值，然后又减小为零，引起齿根部的弯曲正应力也由零增到最大值，然后再 减小为零，见图 12-1。又如火车轮轴上受到来自车厢和车架等的力 F，大小和方向基本不变， 也就是说弯矩基本不变。但是轮轴以角速度  转动时，横截面上除轴心以外的任意一点处 的弯曲正应力将随时间周而复始地在等值的拉应力和压应力之间交替变化。以点 A 为例，点 A 到中性轴的距离 y 是随时间 t 变化的，见图 12-2，若轴的半径为 R，点 A 的弯曲正应力可 表示为 t I MR I My  = = sin  2.疲劳失效的概念及其特点 设计不当或加工工艺有问题的构件，在交变应力作用下，经过长期的应力重复变化，会 发生骤然断裂，这种破坏现象习惯上称为疲劳失效。疲劳失效是一种损伤积累的过程，因此 它和静应力引起的破坏完全不同，其特点为 (1)疲劳失效时的最大工作应力远低于材料在静载下的强度指标时破坏就可能发生，但 不是立刻发生的，而要经历一段时间，甚至很长的时间。 (2)无论何种材料制成的构件，发生疲劳失效时，均表现为脆性断裂，即使是塑性较好 的材料，断裂前也没有明显的塑性变形。 疲劳破坏曾被误认为是材料经过长期服役后，因疲劳而引起材质的脆化导致骤然断裂 的。虽然近代的实验研究结果已否定了这种错误观点，但习惯上仍称之为疲劳失效或疲劳破 坏。据统计，机械零件，尤其是高速运转构件的破坏，大部分属于疲劳失效问题，而疲劳破 图 12-1 图 12-2