[科普中国]-交变应力

基本概念

交变应力，又称循环应力、重复应力，是随时间作周期性变化的应力。产生的原因是荷载作周期性变化，或是荷载不变，构件作周期性运动。在应力循环中，如最大应力和最小应力各自维持某一数值的，称为“稳定交变应力”；如最大应力和最小应力随时间改变其大小的，称为“不稳定交变应力”。1

交变应力作用下构件的破坏称疲劳破坏，持久极限是交变应力作用下经过无数次变化而不使构件产生破坏的最大应力值，是对构件疲劳强度计算的重要依据，对持久极限的讨论在工程上有很重要的实际意义。

不良影响实践表明，即使低于屈服极限，交变应力也会引起构件的突然断裂，且断裂前无明显的塑性变形。这种现象称为疲劳失效。疲劳失效的原因是构件尺寸突变或内部缺陷部位的应力集中诱发微裂纹；在交变应力作用下，微裂纹不断萌生、集结、沟通，形成宏观裂纹并突然断裂。

对称循环下构件疲劳强度计算的关键是确定其持久极限。持久极限除以安全系数得许用应力。如果构件危险点处的最大工作应力小于许用应力，则构件不会发生疲劳失效。

构件承受交变应力的例子1）齿轮啮合时齿根A点的弯曲正应力随时间作周期性变化。

2）火车轮轴横截面边缘上A点的弯曲正应力t随时间作周期性变化。

3）电机转子偏心惯性力引起强迫振动梁上的危险点正应力随时间作周期性变化。

疲劳失效的机理交变应力引起金属原子晶格的位错运动→位错运动聚集，形成分散的微裂纹→微裂纹沿结晶学方向扩展（大致沿最大剪应力方向形成滑移带）、贯通形成宏观裂纹→宏观裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展，宏观裂纹的两个侧面在交变载荷作用下，反复挤压、分开，形成断口的光滑区→突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区。

疲劳失效的特点与原因构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征：

1）破坏时的名义应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应力；

2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力循环；

3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使韧性材料，也将呈现“突然”的脆性断裂金属材料的疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。

高温下机械零件受持久交变应力时的疲劳现象机械零件在高温工作条件下时其疲劳强度与常温工作条件下有较大变化。虽然也可按局部塑性变形、损伤积累和裂纹扩展的过程加以研究，但由于变形金属受热而引起的金属性能随时间的变化将直接影响着疲劳强度，同时伴随有时效、软化、复原、脆化和其他与晶体结构变化有关的复杂现象发生，造成金属结构的和机械性能的不稳定。因此，高温下的疲劳强度不仅取决于循环数，而且还取决于交变应力持续作用的时间及变化频率。此时，由于应力的弹塑性再分布与变形速度有关，应力分布的不均匀性对高温下的疲劳强度也会产生重大影响。高温下，零件在叠加于静应力上的交变应力作用下，蠕变速度增加。对于不对称循环，高温下蠕变也是决定疲劳极限的重要因素，蠕变速度的提高可看作是疲劳损伤的出现。2

农业机械零件在交变应力作用下的失效分析实践证明，在交变应力下工作的构件，其破坏形式与静载苛作用下截然不同。在交变应力下，构件内的最大应力虽然低于材料的屈服极限，但经过长期力的重复作用之后会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前却没有明显的塑性变化。因此，人们误认为是构件长期在交变应力下工作，由于疲劳引起材料性质的改变而造成。近代实验否定了这种说法，但习惯上仍使用疲劳破坏这个词，却沿用至今。

由于构件外部形状和尺寸的突变以及材料不均匀等原因，某些构件局部的应力特别大。在长期交变应力作用下，应力较高的点或材料有缺陷的点逐步形成了非常细微的裂纹。裂纹尖端的应力集中严重，促使裂纹逐渐扩展，构件截面不断削弱；又因裂纹尖端材料处于三向拉伸应力状态，比单向拉伸更不易于出现塑性变形。所以，当变形扩展到一定程度，在偶然的超载冲击下，构件就会沿削弱了的截面发生突然脆性断裂。

农业机械在传动中零件几乎都是在交变应力作用下工作的。所以，农业机械在交变应力作用下受破坏不可忽视，否则会造成重大事故。因此，在设计和使用农业机械时必须进行疲劳强度计算，确保机械的使用寿命，提高其工作效率。3