材料力學(xué)疲勞破壞

1、答疑地點(diǎn)答疑地點(diǎn):16教學(xué)樓一層西側(cè)教學(xué)樓一層西側(cè)120聯(lián)系電話聯(lián)系電話:27406912Email: 疲勞破壞疲勞破壞交變載荷下材料的交變載荷下材料的疲勞破壞疲勞破壞1 1、什么是疲勞破壞？有何特征？、什么是疲勞破壞？有何特征？2 2、循環(huán)特征、疲勞極限？、循環(huán)特征、疲勞極限？3 3、影響疲勞極限的因素有哪些？、影響疲勞極限的因素有哪些？在工程中，有許多構(gòu)件在工作時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)間作交替在工程中，有許多構(gòu)件在工作時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)間作交替變化的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為變化的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力。構(gòu)件產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因構(gòu)件產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因有的是由于載荷的大小、方向或位置隨時(shí)間作交替的有的是由于載荷

2、的大小、方向或位置隨時(shí)間作交替的變化；有的雖然載荷不隨時(shí)間而改變，但構(gòu)件本身在變化；有的雖然載荷不隨時(shí)間而改變，但構(gòu)件本身在旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)?；疖囕嗇S就屬于后一種情況，下面以車軸為例來分火車輪軸就屬于后一種情況，下面以車軸為例來分析應(yīng)力隨時(shí)間作交替變化的過程。析應(yīng)力隨時(shí)間作交替變化的過程。10-1 交變應(yīng)力的概念交變應(yīng)力的概念tIMrIMyAsin車軸每旋轉(zhuǎn)一周，車軸每旋轉(zhuǎn)一周，A點(diǎn)的應(yīng)力就重復(fù)變化一次，稱為點(diǎn)的應(yīng)力就重復(fù)變化一次，稱為一一個(gè)應(yīng)力循環(huán)個(gè)應(yīng)力循環(huán)，隨著車軸的不停地旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力作周期性，隨著車軸的不停地旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力作周期性的變化。的變化。單向傳動(dòng)的嚙合齒輪根部的彎曲正應(yīng)力循環(huán)特性單向傳動(dòng)的嚙

3、合齒輪根部的彎曲正應(yīng)力循環(huán)特性疲勞破壞疲勞破壞在在交變應(yīng)力作交變應(yīng)力作用下構(gòu)件發(fā)生的破壞用下構(gòu)件發(fā)生的破壞 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中有效中有80%以上屬于疲勞以上屬于疲勞破壞。破壞。 疲勞疲勞破壞發(fā)生的斷面稱為疲勞斷口，破壞發(fā)生的斷面稱為疲勞斷口，是分析疲勞類型，判斷疲勞事故原因的是分析疲勞類型，判斷疲勞事故原因的特征區(qū)域。特征區(qū)域。疲勞疲勞材料對(duì)材料對(duì)交變應(yīng)力抵交變應(yīng)力抵抗力下降的現(xiàn)象。抗力下降的現(xiàn)象。疲勞破壞特點(diǎn)疲勞破壞特點(diǎn) 交變應(yīng)力引起的疲勞失效交變應(yīng)力引起的疲勞失效與靜應(yīng)力引起的強(qiáng)度失效有本與靜應(yīng)力引起的強(qiáng)度失效有本質(zhì)的區(qū)別：質(zhì)的區(qū)別： 1.疲勞破壞是構(gòu)件在疲勞破壞

4、是構(gòu)件在工作應(yīng)工作應(yīng)力低于強(qiáng)度極限力低于強(qiáng)度極限，甚至低于屈，甚至低于屈服極限的情況下突然發(fā)生的斷服極限的情況下突然發(fā)生的斷裂，往往具有突發(fā)性。裂，往往具有突發(fā)性。 2.塑性材料構(gòu)件也塑性材料構(gòu)件也呈脆性斷裂呈脆性斷裂，即使塑性，即使塑性性能很好的材料在斷裂前也無明顯的塑性變性能很好的材料在斷裂前也無明顯的塑性變形。形。 3. 構(gòu)件的疲勞破壞斷口上構(gòu)件的疲勞破壞斷口上有兩個(gè)明顯區(qū)域：有兩個(gè)明顯區(qū)域：光滑區(qū)與粗光滑區(qū)與粗糙區(qū)糙區(qū)，其中粗糙區(qū)又稱為瞬斷，其中粗糙區(qū)又稱為瞬斷區(qū)，斷口呈顆粒狀。區(qū)，斷口呈顆粒狀。 疲勞破壞有裂紋的發(fā)生、擴(kuò)疲勞破壞有裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和斷裂三個(gè)部分。展和斷裂三個(gè)部分。 裂

5、紋產(chǎn)生的位置稱為裂紋產(chǎn)生的位置稱為疲勞源疲勞源或或裂紋源。裂紋源。 裂紋擴(kuò)展但未斷裂的區(qū)域稱裂紋擴(kuò)展但未斷裂的區(qū)域稱為為擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展區(qū)，通常對(duì)應(yīng)，通常對(duì)應(yīng)光滑區(qū)。光滑區(qū)。 裂紋斷裂的區(qū)域稱為裂紋斷裂的區(qū)域稱為斷裂區(qū)斷裂區(qū)，通常對(duì)應(yīng)，通常對(duì)應(yīng)粗糙區(qū)粗糙區(qū)。疲勞破壞的過程：疲勞破壞的過程： 一般認(rèn)為是：當(dāng)交變應(yīng)力大一般認(rèn)為是：當(dāng)交變應(yīng)力大小超過一定限度，在構(gòu)件中應(yīng)小超過一定限度，在構(gòu)件中應(yīng)力為最大處或材料有缺陷處，力為最大處或材料有缺陷處，材料經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后，材料經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細(xì)微首先產(chǎn)生細(xì)微裂紋源裂紋源。 這種裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而逐這種裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而

6、逐步擴(kuò)展。在此擴(kuò)展過程中，隨著應(yīng)力交替地步擴(kuò)展。在此擴(kuò)展過程中，隨著應(yīng)力交替地變化，裂紋兩邊的材料時(shí)分時(shí)合，并互相研變化，裂紋兩邊的材料時(shí)分時(shí)合，并互相研磨，因而形成斷面的磨，因而形成斷面的光滑區(qū)域光滑區(qū)域。 通常通常光滑區(qū)域光滑區(qū)域上還有疏密不等的貝殼狀條上還有疏密不等的貝殼狀條紋。稱為紋。稱為疲勞裂紋前沿線疲勞裂紋前沿線。 隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，構(gòu)隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，構(gòu)件截面的有效面積不斷減小，件截面的有效面積不斷減小，最后當(dāng)削弱到不能抵抗破壞時(shí)，最后當(dāng)削弱到不能抵抗破壞時(shí)，就突然斷裂，斷面上的粗糙顆就突然斷裂，斷面上的粗糙顆粒就是由于最后的突然斷裂而粒就是由于最后的突然斷裂而形成的。形成的

7、。疲勞破壞原因：疲勞破壞原因：交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的主要原因。主要原因。疲勞破壞過程疲勞破壞過程疲勞裂紋形成疲勞裂紋形成（萌生、成核）（萌生、成核）階段階段裂紋擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展階段微觀裂紋擴(kuò)微觀裂紋擴(kuò)展階段展階段宏觀裂紋擴(kuò)宏觀裂紋擴(kuò)展階段展階段1. 脆性斷裂階段脆性斷裂階段10-2 交變應(yīng)力的要素交變應(yīng)力的要素循環(huán)特征循環(huán)特征（應(yīng)力比應(yīng)力比或或循環(huán)特性）循環(huán)特性）maxminr 應(yīng)力循環(huán)周期應(yīng)力循環(huán)周期T一個(gè)周期變化所需要的時(shí)間一個(gè)周期變化所需要的時(shí)間最大應(yīng)力最大應(yīng)力max 、最小應(yīng)力最小應(yīng)力min )(21minmaxm)(21min

8、maxa平均應(yīng)力平均應(yīng)力m和和應(yīng)力幅應(yīng)力幅 a交變應(yīng)力分類交變應(yīng)力分類 對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力r=-1 非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力力r-1 脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力力r=01. 靜應(yīng)力（靜載荷）靜應(yīng)力（靜載荷）r=1 max(任何交變應(yīng)力）任何交變應(yīng)力）=m（靜應(yīng)力）（靜應(yīng)力）+a（對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力）（對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力） 10-3 材料的疲勞極限材料的疲勞極限 在交變載荷作用下工作的構(gòu)件存在一個(gè)在交變載荷作用下工作的構(gòu)件存在一個(gè)能繼續(xù)工作多長時(shí)間的問題，稱為能繼續(xù)工作多長時(shí)間的問題，稱為疲勞壽命疲勞壽命。疲勞極限或持久極限疲勞極限或持久極限試件可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞試件

9、可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，交變應(yīng)力最大值破壞，交變應(yīng)力最大值 研究研究疲勞壽命疲勞壽命的主要方法有：的主要方法有：應(yīng)力應(yīng)力-壽命法。壽命法。S-N法。法。應(yīng)變應(yīng)變-壽命法。壽命法。 -N法。法。斷裂力學(xué)法。斷裂力學(xué)法。 S-N法是主要方法，要求零件有無限壽法是主要方法，要求零件有無限壽命或很長壽命。適用于低應(yīng)力幅。命或很長壽命。適用于低應(yīng)力幅。疲勞極限測定方法：疲勞極限測定方法： 疲勞壽命疲勞壽命N 對(duì)稱循環(huán)條件下，疲勞極限值記為對(duì)稱循環(huán)條件下，疲勞極限值記為-1應(yīng)力應(yīng)力疲勞壽命曲線含義：疲勞壽命曲線含義：max -1,試件經(jīng)歷有試件經(jīng)歷有限次循環(huán)就破壞限次循環(huán)就破壞max -1,試

10、件經(jīng)試件經(jīng)歷無限次循環(huán)而不歷無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞發(fā)生破壞max =-1,r=-1時(shí)材時(shí)材料的疲勞極限料的疲勞極限一般地，一般地，N0=107 “條件條件”疲勞極限疲勞極限對(duì)于有色金屬曲線無明顯趨近于水平直對(duì)于有色金屬曲線無明顯趨近于水平直線，這時(shí)可以規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)線，這時(shí)可以規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0=107實(shí)踐證明：實(shí)踐證明：疲勞極限疲勞極限-1與材料的抗拉強(qiáng)度有與材料的抗拉強(qiáng)度有一定關(guān)系。一定關(guān)系。如：如：對(duì)于鋼，對(duì)于鋼， -1約為約為0.5 b 。對(duì)于灰鑄鐵，對(duì)于灰鑄鐵， -1約為約為0.42 b 。對(duì)于球墨鑄鐵，對(duì)于球墨鑄鐵， -1約為約為0.48 b 。對(duì)于鋁合金，對(duì)于鋁合金， -1約

11、為約為0.3 0.35 b 。測定疲勞破壞應(yīng)力的試驗(yàn)稱為耐久性試驗(yàn)測定疲勞破壞應(yīng)力的試驗(yàn)稱為耐久性試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)WMmaxminmax耐久性試驗(yàn)包括：耐久性試驗(yàn)包括：拉壓。拉壓。彎曲彎曲扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 實(shí)踐證明：彎曲實(shí)踐證明：彎曲疲勞極限（疲勞極限（-1）b、扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)疲勞極限疲勞極限 -1以及拉壓以及拉壓疲勞極限疲勞極限-1之間有如下之間有如下近似線性近似線性關(guān)系。關(guān)系。對(duì)于鋼，對(duì)于鋼， （-1）b=0.85-1。 -1 =0.55-1。對(duì)鑄鐵，對(duì)鑄鐵， （-1）b=0.65-1。 -1 =0.90-1。 同一種基本變形形式下的持久極限以對(duì)稱同一種基本變形形式下的持久極限以

12、對(duì)稱循環(huán)是的持久極限為最低。循環(huán)是的持久極限為最低。疲勞圖線疲勞圖線所以，以所以，以對(duì)對(duì)稱循環(huán)交變稱循環(huán)交變應(yīng)力下的持應(yīng)力下的持久極限久極限作為作為材料在交變材料在交變應(yīng)力下的主應(yīng)力下的主要強(qiáng)度指標(biāo)。要強(qiáng)度指標(biāo)。10-4 構(gòu)件的疲勞極限構(gòu)件的疲勞極限 影響構(gòu)件疲勞極限的因素影響構(gòu)件疲勞極限的因素 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 構(gòu)件尺寸構(gòu)件尺寸 構(gòu)件表面加工質(zhì)量構(gòu)件表面加工質(zhì)量 在實(shí)驗(yàn)測定材料疲勞極限的基礎(chǔ)上，將構(gòu)在實(shí)驗(yàn)測定材料疲勞極限的基礎(chǔ)上，將構(gòu)件的形狀、尺寸及表面加工質(zhì)量等因素的影響件的形狀、尺寸及表面加工質(zhì)量等因素的影響分別獨(dú)立地以系數(shù)的形式修正材料的疲勞極限，分別獨(dú)立地以系數(shù)的形式修正材料的疲勞極

13、限，得到構(gòu)件的疲勞極限。得到構(gòu)件的疲勞極限。 1、構(gòu)件外形的影響、構(gòu)件外形的影響 由于結(jié)構(gòu)與工藝的要求，工程構(gòu)件的形狀由于結(jié)構(gòu)與工藝的要求，工程構(gòu)件的形狀與光滑試件有很大的差異，如傳動(dòng)軸上會(huì)有鍵與光滑試件有很大的差異，如傳動(dòng)軸上會(huì)有鍵槽、軸肩、橫孔等。構(gòu)件此種外形的變化，將槽、軸肩、橫孔等。構(gòu)件此種外形的變化，將會(huì)引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域較易會(huì)引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域較易形成疲勞裂紋，使構(gòu)件的疲勞極限顯著低于材形成疲勞裂紋，使構(gòu)件的疲勞極限顯著低于材料的疲勞極限料的疲勞極限 。1k1極限有應(yīng)力集中試件的疲勞同尺寸光滑試件的疲勞極限有效應(yīng)力集中系數(shù)、有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集

14、中系數(shù) 拉壓時(shí)拉壓時(shí)扭轉(zhuǎn)時(shí)扭轉(zhuǎn)時(shí)彎曲時(shí)彎曲時(shí)2、構(gòu)件尺寸的影響、構(gòu)件尺寸的影響試驗(yàn)表明，尺寸增大將導(dǎo)致疲勞極限降低試驗(yàn)表明，尺寸增大將導(dǎo)致疲勞極限降低 111疲勞極限標(biāo)準(zhǔn)小尺寸光滑試件的極限大尺寸光滑試件的疲勞尺寸影響系數(shù)3、構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響、構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響1限表面磨光試件的疲勞極勞極限不同表面質(zhì)量試件的疲表面質(zhì)量影響系數(shù) 不同的表面加工質(zhì)量也會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞極限產(chǎn)生不同的表面加工質(zhì)量也會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞極限產(chǎn)生影響。一般說來，構(gòu)件表面質(zhì)量較好時(shí)，其疲勞極限影響。一般說來，構(gòu)件表面質(zhì)量較好時(shí)，其疲勞極限較高；反之，疲勞極限較低。較高；反之，疲勞極限較低。 除上述三種影響因素之外，除上述

15、三種影響因素之外，還有一些因素對(duì)構(gòu)件的疲勞極限還有一些因素對(duì)構(gòu)件的疲勞極限也有影響，如腐蝕、高溫等。這也有影響，如腐蝕、高溫等。這些因素的影響，也可引用一些修些因素的影響，也可引用一些修正系數(shù)予以考慮，其數(shù)值可以由正系數(shù)予以考慮，其數(shù)值可以由設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到 構(gòu)件的疲勞極限構(gòu)件的疲勞極限 對(duì)于對(duì)稱循環(huán)，若材料的疲勞極限為對(duì)于對(duì)稱循環(huán)，若材料的疲勞極限為1則構(gòu)件的疲勞極限則構(gòu)件的疲勞極限01 上式中上式中K（ K ）是綜合影響系數(shù)。是綜合影響系數(shù)。在綜合影響系在綜合影響系數(shù)中考慮的因素有構(gòu)件形狀，尺寸及表面質(zhì)量等數(shù)中考慮的因素有構(gòu)件形狀，尺寸及表面質(zhì)量等 kKkK110110-5 對(duì)

16、稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)nkKnmax1max1max01疲勞強(qiáng)度條件也可以用安全系數(shù)表示疲勞強(qiáng)度條件也可以用安全系數(shù)表示 nkKnmax1max1max01構(gòu)件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的三類問題構(gòu)件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的三類問題疲勞強(qiáng)度校核，疲勞強(qiáng)度校核，截面設(shè)計(jì)截面設(shè)計(jì)1. 許用載荷計(jì)算許用載荷計(jì)算10-6 、 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施為了降低構(gòu)件的應(yīng)力集中，構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)中要盡為了降低構(gòu)件的應(yīng)力集中，構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)中要盡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過渡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過渡處（如階梯軸的軸肩處），要采用半徑盡可能大的處（如階梯軸的軸肩處），

17、要采用半徑盡可能大的過渡圓角。如果由于結(jié)構(gòu)上的原因，無法加大過渡過渡圓角。如果由于結(jié)構(gòu)上的原因，無法加大過渡圓角半徑時(shí)，須在直徑較大的軸段上加開減荷槽或圓角半徑時(shí)，須在直徑較大的軸段上加開減荷槽或退刀槽。在緊配合的輪轂與軸的配合邊緣處，通常退刀槽。在緊配合的輪轂與軸的配合邊緣處，通常會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時(shí)也應(yīng)在輪轂上開減荷會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時(shí)也應(yīng)在輪轂上開減荷槽，并將配合軸徑適當(dāng)加粗。槽，并將配合軸徑適當(dāng)加粗。 一、降低應(yīng)力集中一、降低應(yīng)力集中 利用間隔環(huán)加大過渡圓弧利用間隔環(huán)加大過渡圓弧卸荷槽，退刀槽卸荷槽，退刀槽力流線力流線 1.降低構(gòu)件表面的粗糙度。疲勞強(qiáng)度要求較高的降低構(gòu)件表面的粗糙度。疲勞強(qiáng)度要求較高的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)法降低其表面的粗糙度，使具有較高的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)法降低其表面的粗糙度，使具有較高的光潔度，對(duì)高強(qiáng)度鋼尤其如此，此外在裝配及使用光潔度，對(duì)高強(qiáng)度鋼尤其如此，此外在裝配及使用過程中，也應(yīng)嚴(yán)防對(duì)構(gòu)件表面的機(jī)械損傷或化學(xué)損過程中，也應(yīng)嚴(yán)防對(duì)構(gòu)件表面