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第四章 材料的疲劳 外加变动载荷造成的机械疲劳 变动载荷与高温联合作用引起的蠕变-疲劳 机件温度变化和应力交变导致的热疲劳 存在侵蚀性介质的环境中施加变动载荷引起的腐蚀疲劳 两个部件循环接触引起的磨损疲劳 分类： (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法 1、疲劳概述 1.1 变动载荷（应力）： 载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载荷（应力） 可分为： 周期变动；随机变动 周期变动应力：（a）（b）（c），循环应力或交变应力。火车车轴和曲轴轴颈上的一点在运转过程中所受的力。 随即变动应力：（d），如飞机、汽车上的零件。 一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。 应力每重复变化一次的过程，称为一个应力循环，完成一个应力循环所需的时间称为一个周期，用 T表示。表征应力循环特征的参量有： 最大（最小）循环应力σmax；σmin 平均应力 σm= (σmax+σmin)/2 应力半幅 σa=Δσ/2 = (σmax-σmin)/2 应力比 r =σmin/σmax （表征变动的不对称程度） （a）σm =0，r=-1时，为对称循环。大多数旋转轴类零件承受此类应力。 （b）-（d）非对称载荷，σm ≠ 0 （b）σm =σa0，r=0时，拉应力脉动循环，压力容器； （c） σm =σa0，r=-∞时，压应力脉动循环，轴承多承受此种载荷； （d） σm σa，0r1时，波动循环，发动机汽缸盖、螺栓承受此种应力。 例题 疲劳试验的平均应力是50MPa，应力变化幅度是30MPa。试计算：1、最大应力；2、最小应力；3、应力比。 解：平均应力σm= (σmax+σmin)/2=50 应力变化Δσ=2σa= (σmax-σmin)=30 σmax=65MPa；σmin=35MPa；r=0.54 (4)疲劳破坏经历了裂纹的萌生、扩展和最后断裂三个阶段。 (5)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。 (6)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。 2、疲劳的宏观表征 要知道在多大力的载荷下材料能承受多少次循环？——大量实验 2.1 疲劳曲线 德国人Wohler针对火车车轴疲劳进行研究，得到了循环应力（S）与疲劳循环寿命（N）之间的关系。——疲劳曲线（S-N曲线） 旋转弯曲疲劳试验 试样旋转并承受一弯矩。产生弯矩的力恒定不变且不转动。试样可装成悬臂，在一点或两点加力；或装成横梁，在四点加力。试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数。 当应力达到一定大小以后，材料不断裂。 完整S-N曲线 观察试件在这一阶段的破坏断口，可见到材料已发生塑性变形的特征。所以低周疲劳性能常用应变-寿命曲线表征。一般的疲劳曲线特指N104范围内的应力-寿命曲线。 ??? 高周疲劳（CD段）：循环应力较低的CD段寿命较长，称高周疲劳。大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。 2.2 疲劳极限 几种材料的S-N曲线 疲劳极限： 对于对称循环载荷（ r = -1 ) 1）对称弯曲：σ-1 2）对称扭转：τ-1 3）对称拉压：σ-1P 当循环应力为非对称循环应力时，计为σ－r 疲劳极限测定方法： 单点法 首先根据经验在一给定循环应力幅σa,i下测定寿命N，若N107 ，则进一步降低应力幅至σa,i+1 ，再次测定寿命N，若N仍然107，则重复上述步骤，直到N107，则计算 Δσa = σa,i+1 - σa,i 若Δσa ≤5% σa,i ，则疲劳极限为 升降法 取不少于13个试样，进行分级载荷下的疲劳寿