高等工程力学5疲劳断裂.pptxVIP

高等工程力学5疲劳断裂第1页/共53页 5 疲劳断裂5.1疲劳断裂现象 构件在远低于材料的抗拉强度或临界应力变动载荷的长期作用下，由于在构件中产生累积损伤也会在其中产生裂纹及裂纹发生扩展而导致断裂，这种现象称为疲劳断裂或简称为疲劳。 与静载或一次冲击加载断裂相比，疲劳断裂具有如下特征： ⑴疲劳断裂是一种循环载荷或变动载荷作用下的低应力断裂，断裂前的应力循环或变动次数与应力大小有关，应力越小，则应力循环的次数越高，构件的使用寿命越长。 ⑵疲劳断裂是脆性断裂，其原因在于断裂前承受的应力低于其屈服强度，所以即使材料本身具有很大的延性，宏观上材料不会发生明显的塑性变形。 ⑶疲劳断裂常是一种突发性的断裂，由于断裂前无明显的塑性变形出现，构件在使用过程中疲劳裂纹缓慢地扩展到某一临界尺寸时（该临界尺寸与外加载荷有关），断裂才突然发生，因此疲劳断裂是一种很危险的断裂。 ⑷材料的表面质量对疲劳断裂有重要影响。 第2页/共53页 5 疲劳断裂5.1疲劳断裂现象（续1） 循环应力或变动应力是疲劳断裂的主要应力特征。根据构件运行的载荷条件不同，有如下几种不同类型的变动应力(如图5-1)。 对称交变应力(图5-1(a))是最常见的变动应力，绝大多数的旋转轴类零件承受这类应力。 图5-1 应力变动示意图 图5-1(b)为正脉动应力。图5-1(c)为负脉动应力则构成波动应力。图5-1(d)为波动应力。图5-1(e)为不对称交变应力。 第3页/共53页 5 疲劳断裂5.1疲劳断裂现象（续2） 若r0，表示交变循环应力； r0，表示波动循环应力； r＝0或r＝?，表示脉动循环应力。 应力循环状况常用平均应力?m、应力半幅?a及应力循环对称系数r来描述。 (5-1)(5-2)(5-3) 随机变动的应力(应力的大小、方向的变动完全是随机的，没有什么规律可循)引起的破坏也称为疲劳。 对称应力循环过程中，若循环最大应力在材料的弹性极限范围以内，则应力与应变的关系符合虎克定律，有 (5-4)第4页/共53页 5 疲劳断裂5.1疲劳断裂现象（续3） 如果应力与应变之间的关系超过材料的弹性极限，则循环过程中的应力与应变关系就形成滞后回线，如图5-2所示，这时存在弹性应变?e和塑性应变?p，其总应变为 (5-5)图5-2 应力—应变滞后回线示意图第5页/共53页 5 疲劳断裂5.1疲劳断裂现象（续4） 应力疲劳：构件发生的总应变中弹性应变?e占主要比例的疲劳。 在应力疲劳中，由于其循环应力一般较低，断裂总循环周次较高，所以这种疲劳也称为高周疲劳。 应变疲劳：构件发生的总应变中塑性应变?p占主要比例的疲劳。 由于应变疲劳一般处于较高循环应力的作用下，断裂前其循环周次较少，所以也称其为低周疲劳。第6页/共53页 5 疲劳断裂5.2高周疲劳与低周疲劳 在断裂力学出现以前，传统的疲劳设计： 是以由光滑小试样得出的Wohler曲线或Manson—Coffin曲线作为依据的。 Wohler曲线是循环最大应力与断裂前循环周次的关系曲线，常用于应力疲劳。 Manson—Coffin曲线是应力循环时的最大应变与断裂前循环周次关系曲线，用于应变疲劳。 Wohler曲线测定方法： 用旋转弯曲疲劳试验方法测定。 试样：多个相同的试样。 过程：选择不同的最大循环应力?1、?2、…、?n分别对每个试样进行循环加载试验并记录其断裂前的循环周次N1，N2，…，Nn，然后在直角坐标图上将这些数据绘制成?max－N或?max－lgN曲线，如图5-3所示。图5-3 金属材料的循环最大应力?max与循环周次N关系曲线 第7页/共53页 5 疲劳断裂5.2高周疲劳与低周疲劳（续1） 对于金属材料，其疲劳曲线可以分为两种类型（图中曲线a，b），随着循环应力的不同，曲线a可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。 第Ⅰ段：高循环应力段，循环周次较低（低于104次），曲线斜率不大，其承受的循环应力只比单向拉伸强度稍低（高于0.67?b），此时的疲劳行为近似于单向拉伸。 第Ⅱ阶段：斜率较大，呈现疲劳过程的特点，在对构件进行有限使用寿命设计时，这段曲线常可作为设计依据，若循环应力逐渐降低，其疲劳寿命也逐渐延长。 第Ⅲ阶段：曲线变为水平，循环应力低于该应力值时，试样经无限次循环也不会发生疲劳断裂，所以称该水平线所对应的应力为该材料的疲劳极限，并记为?r，其中下标r为应力循环对称系数。对于对称循环应力，其疲劳极限标记为?－1。 疲劳极限是材料的疲劳抗力指标，对于要求无限寿命的疲劳设计，其条件为