基本介紹
- 中文名：交變應力
- 外文名：alternating stress
- 別稱：重複應力，循環應力
- 定義：隨時間作周期性變化的應力
- 產生原因：荷載或構件作周期性變化或運動
- 不良影響：疲勞失效
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基本概念
交變應力，又稱循環應力、重複應力，是隨時間作周期性變化的應力。產生的原因是荷載作周期性變化，或是荷載不變，構件作周期性運動。在應力循環中，如最大應力和最小應力各自維持某一數值的，稱為“穩定交變應力”；如最大應力和最小應力隨時間改變其大小的，稱為“不穩定交變應力”。
交變應力作用下構件的破壞稱疲勞破壞，持久極限是交變應力作用下經過無數次變化而不使構件產生破壞的最大應力值，是對構件疲勞強度計算的重要依據，對持久極限的討論在工程上有很重要的實際意義。
不良影響
實踐表明，即使低於屈服極限，交變應力也會引起構件的突然斷裂，且斷裂前無明顯的塑性變形。這種現象稱為疲勞失效。疲勞失效的原因是構件尺寸突變或內部缺陷部位的應力集中誘發微裂紋；在交變應力作用下，微裂紋不斷萌生、集結、溝通，形成巨觀裂紋並突然斷裂。
對稱循環下構件疲勞強度計算的關鍵是確定其持久極限。持久極限除以安全係數得許用應力。如果構件危險點處的最大工作應力小於許用應力，則構件不會發生疲勞失效。
例子
1）齒輪嚙合時齒根A點的彎曲正應力隨時間作周期性變化。
2）火車輪軸橫截面邊緣上A點的彎曲正應力t隨時間作周期性變化。
3）電機轉子偏心慣性力引起強迫振動樑上的危險點正應力隨時間作周期性變化。
失效的機理
交變應力引起金屬原子晶格的位錯運動→位錯運動聚集，形成分散的微裂紋→微裂紋沿結晶學方向擴展（大致沿最大剪應力方向形成滑移帶）、貫通形成巨觀裂紋→巨觀裂紋沿垂直於最大拉應力方向擴展，巨觀裂紋的兩個側面在交變載荷作用下，反覆擠壓、分開，形成斷口的光滑區→突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區。
特點與原因
構件在交變應力作用下失效時，具有如下特徵：
1）破壞時的名義應力值往往低於材料在靜載作用下的屈服應力；
2）構件在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的應力循環；
3）構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆，即使韌性材料，也將呈現“突然”的脆性斷裂金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區域與顆粒區域。
疲勞現象
機械零件在高溫工作條件下時其疲勞強度與常溫工作條件下有較大變化。雖然也可按局部塑性變形、損傷積累和裂紋擴展的過程加以研究，但由於變形金屬受熱而引起的金屬性能隨時間的變化將直接影響著疲勞強度，同時伴隨有時效、軟化、復原、脆化和其他與晶體結構變化有關的複雜現象發生，造成金屬結構的和機械性能的不穩定。因此，高溫下的疲勞強度不僅取決於循環數，而且還取決於交變應力持續作用的時間及變化頻率。此時，由於應力的彈塑性再分布與變形速度有關，應力分布的不均勻性對高溫下的疲勞強度也會產生重大影響。高溫下，零件在疊加於靜應力上的交變應力作用下，蠕變速度增加。對於不對稱循環，高溫下蠕變也是決定疲勞極限的重要因素，蠕變速度的提高可看作是疲勞損傷的出現。
失效分析
實踐證明，在交變應力下工作的構件，其破壞形式與靜載苛作用下截然不同。在交變應力下，構件內的最大應力雖然低於材料的屈服極限，但經過長期力的重複作用之後會突然斷裂。即使是塑性較好的材料，斷裂前卻沒有明顯的塑性變化。因此，人們誤認為是構件長期在交變應力下工作，由於疲勞引起材料性質的改變而造成。近代實驗否定了這種說法，但習慣上仍使用疲勞破壞這個詞，卻沿用至今。
由於構件外部形狀和尺寸的突變以及材料不均勻等原因，某些構件局部的應力特別大。在長期交變應力作用下，應力較高的點或材料有缺陷的點逐步形成了非常細微的裂紋。裂紋尖端的應力集中嚴重，促使裂紋逐漸擴展，構件截面不斷削弱；又因裂紋尖端材料處於三向拉伸應力狀態，比單向拉伸更不易於出現塑性變形。所以，當變形擴展到一定程度，在偶然的超載衝擊下，構件就會沿削弱了的截面發生突然脆性斷裂。
農業機械在傳動中零件幾乎都是在交變應力作用下工作的。所以，農業機械在交變應力作用下受破壞不可忽視，否則會造成重大事故。因此，在設計和使用農業機械時必須進行疲勞強度計算，確保機械的使用壽命，提高其工作效率。
