材料力學疲勞破壞

1、材料力學疲勞破壞第1頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四答疑地點:16教學樓一層西側120聯(lián)系電話:27406912Email: lali第2頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四疲勞破壞第十章交變載荷下材料的疲勞破壞第3頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四問題1、什么是疲勞破壞？有何特征？2、循環(huán)特征、疲勞極限？3、影響疲勞極限的因素有哪些？第4頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四在工程中，有許多構件在工作時出現(xiàn)隨時間作交替變化的應力，這種應力稱為交變應力。構件產(chǎn)生交變應力的原因有的是由于載荷的大小、方向或位置隨時間作交替

2、的變化；有的雖然載荷不隨時間而改變，但構件本身在旋轉。火車輪軸就屬于后一種情況，下面以車軸為例來分析應力隨時間作交替變化的過程。10-1 交變應力的概念第5頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四車軸每旋轉一周，A點的應力就重復變化一次，稱為一個應力循環(huán)，隨著車軸的不停地旋轉，應力作周期性的變化。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四單向傳動的嚙合齒輪根部的彎曲正應力循環(huán)特性第7頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四疲勞破壞在交變應力作用下構件發(fā)生的破壞 據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞。 疲勞破壞發(fā)生的斷面稱為疲勞斷口，是分析

3、疲勞類型，判斷疲勞事故原因的特征區(qū)域。疲勞材料對交變應力抵抗力下降的現(xiàn)象。第8頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四疲勞破壞特點 交變應力引起的疲勞失效與靜應力引起的強度失效有本質的區(qū)別： 1.疲勞破壞是構件在工作應力低于強度極限，甚至低于屈服極限的情況下突然發(fā)生的斷裂，往往具有突發(fā)性。 2.塑性材料構件也呈脆性斷裂，即使塑性性能很好的材料在斷裂前也無明顯的塑性變形。 第9頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 3. 構件的疲勞破壞斷口上有兩個明顯區(qū)域：光滑區(qū)與粗糙區(qū)，其中粗糙區(qū)又稱為瞬斷區(qū)，斷口呈顆粒狀。 疲勞破壞有裂紋的發(fā)生、擴展和斷裂三個部分。 裂紋產(chǎn)生的

4、位置稱為疲勞源或裂紋源。 裂紋擴展但未斷裂的區(qū)域稱為擴展區(qū)，通常對應光滑區(qū)。 裂紋斷裂的區(qū)域稱為斷裂區(qū)，通常對應粗糙區(qū)。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四疲勞破壞的過程： 一般認為是：當交變應力大小超過一定限度，在構件中應力為最大處或材料有缺陷處，材料經(jīng)過應力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細微裂紋源。 這種裂紋隨著應力循環(huán)次數(shù)的增多而逐步擴展。在此擴展過程中，隨著應力交替地變化，裂紋兩邊的材料時分時合，并互相研磨，因而形成斷面的光滑區(qū)域。 通常光滑區(qū)域上還有疏密不等的貝殼狀條紋。稱為疲勞裂紋前沿線。第11頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 隨著裂紋的不斷

5、擴展，構件截面的有效面積不斷減小，最后當削弱到不能抵抗破壞時，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形成的。疲勞破壞原因：交變應力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的主要原因。第12頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四疲勞破壞過程疲勞裂紋形成（萌生、成核）階段裂紋擴展階段微觀裂紋擴展階段宏觀裂紋擴展階段脆性斷裂階段第13頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四10-2 交變應力的要素循環(huán)特征（應力比或循環(huán)特性） 應力循環(huán)周期T一個周期變化所需要的時間最大應力max 、最小應力min 平均應力m和應力幅 a第14頁，共41頁，2022年，5月20日，4點

6、1分，星期四交變應力分類對稱循環(huán)交變應力r=-1非對稱循環(huán)交變應力r-1脈動循環(huán)交變應力r=0靜應力（靜載荷）r=1 max(任何交變應力）=m（靜應力）+a（對稱循環(huán)應力） 第15頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四10-3 材料的疲勞極限 在交變載荷作用下工作的構件存在一個能繼續(xù)工作多長時間的問題，稱為疲勞壽命。疲勞極限或持久極限試件可經(jīng)無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，交變應力最大值 研究疲勞壽命的主要方法有：應力-壽命法。S-N法。應變-壽命法。-N法。斷裂力學法。 S-N法是主要方法，要求零件有無限壽命或很長壽命。適用于低應力幅。第16頁，共41頁，2022年，5月2

7、0日，4點1分，星期四疲勞極限測定方法： 疲勞壽命N 對稱循環(huán)條件下，疲勞極限值記為-1應力疲勞壽命曲線含義：max -1,試件經(jīng)歷有限次循環(huán)就破壞max -1,試件經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞max =-1,r=-1時材料的疲勞極限第17頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四一般地，N0=107 “條件”疲勞極限對于有色金屬曲線無明顯趨近于水平直線，這時可以規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0=107實踐證明：疲勞極限-1與材料的抗拉強度有一定關系。如：對于鋼， -1約為0.5 b 。對于灰鑄鐵， -1約為0.42 b 。對于球墨鑄鐵， -1約為0.48 b 。對于鋁合金， -1約為0.3 0

8、.35 b 。第18頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四測定疲勞破壞應力的試驗稱為耐久性試驗旋轉彎曲疲勞試驗機第19頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四耐久性試驗包括：拉壓。彎曲扭轉 實踐證明：彎曲疲勞極限（-1）b、扭轉疲勞極限-1以及拉壓疲勞極限-1之間有如下近似線性關系。對于鋼， （-1）b=0.85-1。 -1 =0.55-1。對鑄鐵， （-1）b=0.65-1。 -1 =0.90-1。第20頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 同一種基本變形形式下的持久極限以對稱循環(huán)是的持久極限為最低。疲勞圖線所以，以對稱循環(huán)交變應力下的持久極限

9、作為材料在交變應力下的主要強度指標。第21頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四10-4 構件的疲勞極限 影響構件疲勞極限的因素應力集中構件尺寸構件表面加工質量 在實驗測定材料疲勞極限的基礎上，將構件的形狀、尺寸及表面加工質量等因素的影響分別獨立地以系數(shù)的形式修正材料的疲勞極限，得到構件的疲勞極限。 第22頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四1、構件外形的影響 由于結構與工藝的要求，工程構件的形狀與光滑試件有很大的差異，如傳動軸上會有鍵槽、軸肩、橫孔等。構件此種外形的變化，將會引起應力集中，在應力集中的局部區(qū)域較易形成疲勞裂紋，使構件的疲勞極限顯著低于材料的疲

10、勞極限 。第23頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四有效應力集中系數(shù) 拉壓時第24頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四扭轉時第25頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四彎曲時第26頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第27頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第28頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四2、構件尺寸的影響試驗表明，尺寸增大將導致疲勞極限降低 第29頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第30頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第31頁，共41頁

11、，2022年，5月20日，4點1分，星期四3、構件表面加工質量的影響 不同的表面加工質量也會對構件的疲勞極限產(chǎn)生影響。一般說來，構件表面質量較好時，其疲勞極限較高；反之，疲勞極限較低。 第32頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第33頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 除上述三種影響因素之外，還有一些因素對構件的疲勞極限也有影響，如腐蝕、高溫等。這些因素的影響，也可引用一些修正系數(shù)予以考慮，其數(shù)值可以由設計手冊中查到 第34頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四構件的疲勞極限 對于對稱循環(huán)，若材料的疲勞極限為則構件的疲勞極限 上式中K（ K

12、 ）是綜合影響系數(shù)。在綜合影響系數(shù)中考慮的因素有構件形狀，尺寸及表面質量等 第35頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四10-5 對稱循環(huán)疲勞強度設計疲勞強度條件也可以用安全系數(shù)表示 構件疲勞強度計算的三類問題疲勞強度校核，截面設計許用載荷計算第36頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四10-6 、 提高構件疲勞強度的措施為了降低構件的應力集中，構件的形狀設計中要盡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過渡處（如階梯軸的軸肩處），要采用半徑盡可能大的過渡圓角。如果由于結構上的原因，無法加大過渡圓角半徑時，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，通常會產(chǎn)生較大的應力集中，此時也應在輪轂上開減荷槽，并將配合軸徑適當加粗。 一、降低應力集中第37頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四第38頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 利用間隔環(huán)加大過渡圓弧卸荷槽，退刀槽力流線第39頁，共41頁，2022年，5月20日，4點1分，星期四 1.降低構件表面的粗糙度。疲勞強度要求較高的構件，應設法降低其表面的粗糙度，使具有較高的光潔度，對高強度鋼尤其如此，此外在裝配及使用過程中，也應嚴防對構件表面的機械損傷或化學損傷。