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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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