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压力容器疲劳知识总结 （201220630 邹明铭） 1.疲劳分析设计工程背景 疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 疲劳强度分析是一个热点的研究领域，已从经典的无限寿命设计发展到有限寿命设计和可靠性分析。累积损伤观念为现代工程设计注入了新思想和新方法，损伤理论已成为一门新的学科，为解决疲劳寿命问题提供了重要理论基础与工程计算方法。 2.疲劳分析的基础知识 2.1交变应力 图1所示的交变应力，用S代表广义应力，即它可以是正应力，也可以是切应力。 图1 交变应力示意图 应力循环——应力值每重复变化一次成为一个循环，及应力从最小值变到最大值，再变回到最小值。 循环次数——应力重复变化的次数，用表示。 最大应力——应力循环中的最大值，用表示。 最小应力——应力循环中的最小值，用表示。 平均应力——最大应力与最小值的平均值，用表示。即 （2-1） 应力幅值——应力变化幅度的均值，用表示。即 ?????? ?　 　　　　（2-2） 这样， ? ?????? ??????????（2-3） ???????? 　 　　　　（2-4） 循环特征——最小应力与最大应力的比值，用 表示。即? ???????????????????? 　　（2-5） 2.2? 几种典型的交变应力 图2所示的交变应力，为对称循环的交变应力。其特点是 图3所示的交变应力，为脉动循环的交变应力。其特点是 　　　　　　　 图4所示的为静应力，可视为应力幅值为零的特殊交变应力。其特点是 除图2所示的对称循环的交变应力外，其它均为非对称循环交变应力，且其循环特征 均在-1与+1间变化。 图2 对称交变应力示意图 图3 脉动变应力示意图 图4 静变应力示意图 2.3 材料的疲劳极限与应力-寿命（S－N）曲线 疲劳时应力远低于静载下材料的屈服强度或强度极限，因而屈服强度或强度极限已不能作为交变应力下的强度指标，需重新测定金属的疲劳强度指标。疲劳试验表明，在同一循环特征 的交变应力下，循环次数N随交变应力的最大应力的减小而增大，当减小到某一数值时，N趋于无限大。材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力，称为材料的疲劳极限，或称持久极限。 材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征 、试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲劳试验测定。材料的疲劳极限用表示，即意味着对称循环下的是，脉动循环下的是，以此类推。 如图所示的曲线，称为应力-寿命曲线，简称曲线。 图5 典型S-N曲线 S-N曲线上任一点的纵、横坐标分别用、表示，这表明在交变应力的最大应力为时，试件疲劳破坏前所经历的应力循环次数为。所以，称是最大应力为时的有限疲劳寿命；而称是有限疲劳寿命为时材料的条件疲劳极限图所示的曲线有一条水平渐近线，该渐近线的纵坐标用表示，即为材料对称循环下的疲劳极限。 要“经历无限次应力循环”，这个试验是无法实现的。实际上人为地规定一个循环基数，若经历次应力循环而不破坏，即认为已满足了“经历无限次应力循环”这一条件。对于曲线有水平渐近线的材料，如结构钢等，；而对于像铝合金等无水平渐近线的材料，。 3.1? 应力集中对疲劳极限的影响 应力集中的程度，可以用理论应力集中系数描述。工程中，已将各种情况下的理论应力集中系数编成手册，为理论应力集中系数理论应力集中系数只考虑了构件外形结构的影响，没有考虑材料对应力集中的敏感性。因而，根据理论应力集中系数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。工程中，应力集中对疲劳极限的影响程度用有效应力集中系数表示，它是在材料、尺寸、加载条均相同的前提下，光滑小试件与有应力集中小试件疲劳极限的比值，即　　　　　　　　　　　　　　 ?????????????????????????）式（）中，是材料的疲劳极限； 是有应力集中小试件的疲劳极限。 机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各种缺陷，由此造成应力集中；对构件作渗氮、渗碳、淬火等表面处理，会提高表面层材料的强度。一般情况下，最大应力出现在构件表面层，这样，构件表面加工质量将影响疲劳极限。加工质量对疲劳极限影响程度用表面质量系表示，即　　　????????????????????????????（）式中，为有别于光滑小试件加工（磨削加工）的疲劳极限。表面质量系数可查有关手册得到，表面加工质量愈低，对疲极限降低得愈多；材料的静强度愈高，加工质量对疲劳极限影响得愈显著。 图6 变幅交变