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强度计算.材料强度理论:疲劳破坏理论:材料的疲劳极限

与S-N曲线

1疲劳破坏理论简介

1.1疲劳破坏的基本概念

疲劳破坏是材料在交变应力作用下,即使应力远低于材料的静载强度极限,

经过一定次数的应力循环后也会发生破坏的现象。这种破坏通常发生在材料的

表面或内部缺陷处,随着应力循环的进行,缺陷处的裂纹逐渐扩展,最终导致

材料的断裂。疲劳破坏是工程结构和机械零件失效的主要原因之一,特别是在

航空、汽车、桥梁等承受周期性载荷的领域。

1.1.1疲劳破坏的机理

疲劳破坏过程可以分为三个阶段:1.裂纹萌生:在材料的表面或内部缺陷

处,由于应力集中,首先产生微观裂纹。2.裂纹扩展:随着应力循环的进行,

裂纹逐渐向材料内部扩展,裂纹长度增加。3.最终断裂:当裂纹扩展到一定程

度,剩余的材料无法承受载荷,导致最终的断裂。

1.1.2疲劳极限

疲劳极限,也称为疲劳强度或疲劳寿命,是指材料在无限次应力循环下不

发生破坏的最大应力值。这个值通常远低于材料的静载强度极限,是评估材料

在交变载荷下性能的重要参数。

1.2疲劳破坏的类型与特征

疲劳破坏根据应力循环的性质和环境条件,可以分为多种类型,每种类型

有其特定的特征和破坏机理。

1.2.1对称循环疲劳

在对称循环疲劳中,应力的正负值相等,即应力比R=-1。这种情况下,材

料承受的应力变化范围最大,疲劳破坏往往发生在较少的应力循环次数下。

1.2.2不对称循环疲劳

不对称循环疲劳中,应力的正负值不相等,应力比R可以是任意值,但通

常在-1到+1之间。这种疲劳破坏的特征与应力比有关,不同的应力比会导致不

同的疲劳寿命。

1

1.2.3高周疲劳与低周疲劳

4到10

高周疲劳:发生在应力循环次数较高的情况下,通常在107

次之间。这种疲劳破坏主要由微观裂纹的萌生和扩展引起。

低周疲劳:发生在应力循环次数较低的情况下,通常在10^3次以

下。这种疲劳破坏往往与塑性变形和裂纹的快速扩展有关。

1.2.4环境影响下的疲劳

环境条件,如温度、湿度、腐蚀介质等,对疲劳破坏有显著影响。例如,

高温下的疲劳破坏机理与室温下不同,腐蚀介质中的疲劳破坏往往比干燥环境

中的更快。

1.3S-N曲线

S-N曲线是描述材料疲劳性能的重要工具,它表示材料在不同应力水平下

所能承受的应力循环次数N与应力幅值S之间的关系。S-N曲线通常通过疲劳

试验获得,试验中材料样品在不同应力水平下进行应力循环,直到发生破坏,

记录下每个应力水平下的破坏循环次数。

1.3.1S-N曲线的绘制

importmatplotlib.pyplotasplt

importnumpyasnp

#示例数据

stress_amplitude=np.array([100,200,300,400,500])#应力幅值

cycles_to_failure=np.array([1e6,5e5,2e5,1e5,5e4])#破坏循环次数

#绘制S-N曲线

plt.loglog(stress_amplitude,cycles_to_failure,marker=o)

plt.xlabel(应力幅值(MPa))

plt.ylabel(破坏循环次数(N))

plt.title(材料的S-N曲线)

plt.grid(True)

plt.show()

在上述代码中,我们使用了matplotlib库来绘制S-N曲线。numpy库用于

生成示例数据。loglog函数用于创建对数坐标轴,因为S-N曲线在对数坐标下

通常呈现线性关系。通过调整stress_amplitude和cycles_to_failure数组中的值,

可以绘制不同材料的S-N曲线。

1.3.2S-N曲线的分析

S-N曲线可以分为两个区域:1.无限寿命区:在曲线的右侧,应力低于疲

2

劳极限,材料可以承受无限次的应力循环而不发生破坏

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