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第三部分 疲劳断裂
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式, 典型焊接结构疲劳破坏事例表明
疲劳断裂几率高, 具有广泛研究意义。 疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构
件中,一般说来,其最大应力低于材料抗拉强度,甚至低于材料的屈服点,因此
断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。
疲劳断裂过程的研究表明, 疲劳寿命不是决定于裂纹产生, 而是决定于裂纹
增大和扩展。因此, 本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上, 利用
断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。
§3-1 疲劳的基本概念
在交变载荷作用下, 金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。 为防止结构在
工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ― N 曲线法确定疲劳强度。
一、应力疲劳和应变疲劳
1、应力疲劳
在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳,也叫弹性疲劳。七特
点是在应力循环条件下,裂纹在弹性区内扩展,且裂纹扩展速率低。
2、应变疲劳
在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳,也叫塑性疲劳。其
特点是应变幅值很高,最大应变接近屈服应变, 故疲劳裂纹扩展速率高 (达每次
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循环 10 mm),寿命短(小于 10 周)。
二、疲劳强度和疲劳极限
1、乌勒( W?hler )疲劳曲线
(1)结构在多次循环载荷作用下,在工作应力σ(σ max)小于强度极限σ
b 时即破坏,在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数 N 也不同,表达结构破坏
载荷σ和所需加载次数 N之间的关系(σ― N)即为乌勒( W?hler )疲劳曲线。
(2 )疲劳曲线在加载次数 N 很大时趋于水平,若以σ― lgN 表示则为两段
直线关系
(3 )图示(略)
2、疲劳强度(条件疲劳极限)
(1) 疲劳曲线上对应于某一循环次数 N 的强度极限σ即为该循环下的疲劳
强度(σ r )
7
(2 ) σ =f (N) σ 对应σ max,一般 N10
r r
3、疲劳极限
(1)结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限
(2 )为σ― lgN 疲劳图中的水平渐近线
1
三、应力循环特性
1、应力循环中各参数及应力循环特性系数
① σmax―应力循环中最大应力值,σ max=σm+σa
② σmin―应力循环中最小应力值,σ min= σm- σa
③ σm= (σmax+σmin)/2-- 应力循环中平均应力值
④ σa= (σmax- σmin)/2 ―应力循环中应力振幅
⑤ r= σmin/ σmax―应力循环中应力循环特性系数
2、特殊循环特性
(1) 对称交变载荷, r=-1 ,疲劳强度σ -1
(2) 脉动载荷, r=0 ,疲劳强度σ 0
(3) 拉伸变载荷, 0r1 ,疲劳强度σ r
拉伸变载荷σ min 和σ max 均为拉应力,但大小不等,
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