材料力学－第12章疲劳行为与疲劳寿命.ppt

实际结构疲劳试验装置 应力－寿命曲线 O 每一应力水平只有一个试样的数据 O 每一应力水平有一组试样的数据 O O 每一应力水平有 一组试样的数据 每一应力水平只有 一个试样的数据 两种试验的应力－寿命曲线 条件疲劳极限 对于有渐近线的S－N曲线，规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。 对于没有渐近线的S－N曲线，规定经历2×107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。 需要指出的是，裂纹的生成和扩展是一个复杂过程，它与构件的外形、尺寸、应力变化情况以及所处的介质等都有关系。因此，对于承受交变应力的构件，不仅在设计中要考虑疲劳问题，而且在使用期限需进行中修或大修，以检测构件是否发生裂纹及裂纹扩展的情况。 对于某些维系人民生命的重要构件，还需要作经常性的检测。乘坐火车时你会注意到，火车停站后，都有铁路工人用小铁锤轻轻敲击车厢车轴的情景。这便是检测车轴是否发生裂纹，以防止发生突然事故的一种简易手段。因为火车车厢及所载旅客的重力方向不变，而车轴不断转动，其横截面上任意一点的位置均随时间不断变化，故该点的应力亦随时间而变化，车轴因而可能发生疲劳破坏。用小铁锤敲击车轴，可以从声音直观判断是否存在裂纹以及裂纹扩展的程度。 ? 影响疲劳寿命的因素 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。 ? 应力集中的影响－有效应力集中因数 ? 零件尺寸的影响－尺寸因数 ? 表面加工质量的影响－表面质量因数 ? 应力集中的影响－ 有效应力集中因数 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）与名义应力的比值称为理论应力集中因数。用Kt表示，即 式中, Smax为峰值应力；Sn为名义应力。对于正应力 对于剪应力 理论应力集中因数 理论应力集中因数只考虑了零件的几何形状和尺寸的影响，没有考虑不同材料对于应力集中具有不同的敏感性。因此，根据理论应力集中因数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。考虑应力集中对疲劳极限的影响，工程上采用有效应力集中因数（efective stress concentration factor），它是在材料、尺寸和加载条件都相同的前提下，光滑试样与缺口试样的疲劳极限的比值 有效应力集中因数 式中， 和 分别为光滑试样与缺口试样的疲劳极限，S 仍为广义应力记号。 ? 影响疲劳寿命的因素 第10章 动载荷与疲劳强度概述(续) 有效应力集中因数不仅与零件的形状和尺寸有关，而且与材料有关。前者由理论应力集中因数反映；后者由缺口敏感因数（notch sensitivity factor）q反映。三者之间有如下关系 此式对于正应力和剪应力集中都适用。 ? 零件尺寸的影响－尺寸因数 前面所讲的疲劳极限为光滑小试样（直径6~10 mm）的试验结果，称为“试样的疲劳极限”或“材料的疲劳极限”。试验结果表明，随着试样直径的增加，疲劳极限将下降，而且对于钢材，强度愈高，疲劳极限下降愈明显。因此，当零件尺寸大于标准试样尺寸时，必须考虑尺寸的影响。 尺寸引起疲劳极限降低的原因主要有以下几种：一是毛坯质量因尺寸而异，大尺寸毛坯所包含的缩孔、裂纹、夹杂物等要比小尺寸毛坯多；二是大尺寸零件表面积和表层体积都比较大，而裂纹源一般都在表面或表面层下，故形成疲劳源的概率也比较大；三是应力梯度的影响：若大、小零件的最大应力均相同，在相同的表层厚度内，大尺寸零件的材料所承受的平均应力要高于小尺寸零件。这些都有利于初始裂纹的形成和扩展，因而使疲劳极限降低。 零件尺寸对疲劳极限的影响用尺寸因数度量： 式中， ?-1和(?-1)d分别为试样和光滑零件在对称 循环下的疲劳极限。上式也适用于剪应力循环的 情形。 ? 表面加工质量的影响 －表面质量因数 零件承受弯曲或扭转时，表层应力最大，对于几何形状有突变的拉压构件，表层处也会出现较大的峰值应力。因此，表面加工质量将会直接影响裂纹的形成和扩展，从而影响零件的疲劳极限。 式中， ?-1和(?-1)d分别为磨削加工和其它