第11章疲劳和断裂要点解析.ppt

第11章 疲劳和断裂 §11-1 概述 §11-2 交变应力的几个名词术语 §11-3 材料的持久极限及其测定 §11-5 构件的疲劳强度计算 §11-4 构件持久极限及其计算 * §11-1 概述 * 一、交变应力 构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。 例： 火车轮轴上任意一点的应力。 1 2 3 4 z y d k F F w d a a F F 可见 随时间t是按正弦规律变化的。 * §11-1 概述 二、疲劳破坏 ——构件在长期交变应力作用下所发生的断裂破坏。 疲劳破坏 对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有 80％以上是由于疲劳失效引起的。因此，对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位。 * ① 破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限； ③ 破坏前没有明显的塑性变形，即使韧性很好的材 料，也会呈现脆性断裂； ② 交变应力作用下的疲劳破坏需要经过一定数量的 应力循环； ④ 同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状 区域。 疲劳失效的特征 §11-1 概述 * 光滑区域 颗粒状区域 §11-1 概述 * 初始缺陷 滑 移 滑移带 初始裂纹(微裂纹) 宏观裂纹 脆性断裂 宏观裂纹扩展 疲劳破坏过程 §11-1 概述 §11-2 交变应力的几个名词术语 * 2. 应力幅 注意：最大应力和最小应力均带正负号。 1. 循环特征（应力比） 3. 平均应力 应力循环——应力变化的一个周期 为了表示交变应力中应力变化的情况，引入几个基本参量。 * ① r =0（或r =-∞ ） 脉动循环 （图 a、b） 特例： ③ r =1 静应力 （smax = smin） (a) ② r = ?1 对称循环 （smax =-smin） (b) s t O smax= 0 非对称循环 §11-2 交变应力的几个名词术语 §11-3 材料的持久极限及其测定 * 试验表明：在同一循环特征下，交变应力中的smax越大,发生疲劳破坏所经历的循环次数N 越小，即疲劳寿命越短。反之smax越小，N 越大，疲劳寿命越长。 经过无限次循环不发生疲劳破坏的最大应力称为材料的持久极限（疲劳极限）。用sr表示，r代表循环特征。 sr与材料变形形式，循环特征有关，用疲劳试验测定。 一、材料的持久极限（疲劳极限） * 二、弯曲对称循环时，s-1的测定 疲劳试验装置 §11-3 材料的持久极限及其测定 * 实际结构疲劳试验装置 §11-3 材料的持久极限及其测定 * 绘出smax－N曲线（疲劳寿命曲线），又称为 S － N曲线（S 代表正应力s 或切应 力t），如图所示。可见smax降至某值后， smax－N 曲线趋于水平。该应力即为s-1 。图中s-1=590 MPa。 弯曲（s-1）b = 170 － 220 MPa 拉压（s-1）t = 120 － 160 MPa 低碳钢：sb=400－500 MPa §11-3 材料的持久极限及其测定 * 铝合金等有色金属，其s － N曲线如图所示，它没有明显的水平部分，规定疲劳寿命N0＝5×106－107 时的最大应力值为条件疲劳极限，用 表示。 N0=5×10 6 ~10 7 s N O 三、条件疲劳极限 §11-3 材料的持久极限及其测定 §11-4 构件持久极限及其计算 * 前面介绍了光滑小试样的疲劳极限，并不是零件的疲劳极限，零件的疲劳极限则与零件状态和工作条件有关。零件状态包括应力集中、尺寸、表面加工质量和表面强化处理等因素；工作条件包括载荷特性、介质和温度等因素。其中载荷特性包括应力状态、应力比、加载顺序和载荷频率等。 * ① 应力集中的影响——有效应力集中因数 ② 零件尺寸的影响——尺寸因数 ③ 表面加工质量的影响——表面质量因数 §11-4 构件持久极限及其计算 * 在构件或零件截面形状和尺寸突变处（如阶梯轴轴肩圆角、开孔、切槽等),局部应力远远大于按一般理论公式算得的数值，这种现象称为应力集中。显然，应力集中的存在不仅有利于形成初始的疲劳裂纹，而且有利于裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限。 在弹性范围内，应力集中处的最大应力（又称峰值应力）与名义