疲勞與斷裂第二章的PPT課件

1、1 2 應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞: Smax104， 也稱也稱高周疲勞高周疲勞。 應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞: SmaxSy， Nf104， 也稱也稱低周低周應(yīng)變應(yīng)變疲勞。疲勞。 應(yīng)力水平（應(yīng)力水平（S）用）用R和和Sa描述。描述。 壽命（壽命（N）為到破壞的循環(huán)次數(shù)。）為到破壞的循環(huán)次數(shù)。 研究裂紋萌生壽命，研究裂紋萌生壽命，“破壞破壞”定義為：定義為： 1.標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試件斷裂。標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試件斷裂。 脆性材料脆性材料 2.出現(xiàn)可見小裂紋出現(xiàn)可見小裂紋, 或可測的應(yīng)變降。延性材料或可測的應(yīng)變降。延性材料 應(yīng)力應(yīng)力 s s 應(yīng)變應(yīng)變 e e Sy o 3 用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在R=-1下，下， 施加

2、不同的施加不同的Sa，進(jìn)行疲勞試，進(jìn)行疲勞試 驗(yàn)，可得到驗(yàn)，可得到S-N曲線。曲線。 S 103104105106107 N f SN 4 S 103104105106107 N f SN Sf 5 m與與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等是與材料、應(yīng)力比、加載方式等 有關(guān)的參數(shù)。有關(guān)的參數(shù)。 二邊取對數(shù)，有二邊取對數(shù)，有: lg S=A+B lgN S-N間有間有對數(shù)線性對數(shù)線性關(guān)系；關(guān)系； 參數(shù)參數(shù) A=LgC/m, B=-1/m。 Lg S 34567 Lg N Sf 6 考慮疲勞極限考慮疲勞極限S Sf f，且當(dāng)，且當(dāng)S S趨近于趨近于S Sf f時(shí)，時(shí)，N N。 二邊取對數(shù)后成為：二邊取

3、對數(shù)后成為： S=A+B lg N （半對數(shù)線性關(guān)系）（半對數(shù)線性關(guān)系） S 34567 Lg N Sf 7 500 50010001500 200 800 0 0 AB 旋旋 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 彎彎 曲曲 疲疲 勞勞 極極 限限 S MPa f f 材料極限強(qiáng)度材料極限強(qiáng)度 S MPa u S /S =0.5S /S =0.5 fu S =700S =700 f f 8 9 ( (供初步設(shè)計(jì)參考供初步設(shè)計(jì)參考) ) Lg S 34567Lg N120 Su Sf 10 S t R=-1 R=-1/3 R=0 Sm Sa不變不變，R or Sm ；N ； N不變不變，R or Sm ；SN ; S N S

4、m0 a R增大 11 S S-1 a Su Sm N=10 4 N=107 Sa/S-1 1 0 1 Sm/Su N=107 Haigh 圖 如圖，在等壽命線上，如圖，在等壽命線上， Sm ，Sa ； Sm Su。 Haigh圖圖: (無量綱形式無量綱形式) N=107, 當(dāng)當(dāng)Sm=0時(shí)，時(shí)，Sa=S-1； 當(dāng)當(dāng)Sa=0時(shí)，時(shí)，Sm=Su。 Gerber Goodman 12 2. ： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本若基本S-N曲線用冪函數(shù)式曲線用冪函數(shù)式 SmN=C 表達(dá)，則表達(dá)，則 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.

5、5361025 13 4. 對稱循環(huán)對稱循環(huán)(Sa=568.4, Sm=0)條件下的壽命，可條件下的壽命，可 由基本由基本S-N曲線得到，即曲線得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105 (次次) 3. 利用基本利用基本S-N曲線估計(jì)疲勞壽命，需將實(shí)際工曲線估計(jì)疲勞壽命，需將實(shí)際工 作循環(huán)應(yīng)力水平作循環(huán)應(yīng)力水平, 為對稱循環(huán)下的應(yīng)為對稱循環(huán)下的應(yīng) 力水平力水平Sa(R=-1)，由，由Goodman方程有：方程有： (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出：可解出： Sa(R=-1)=568.4 MPa 14 S-1 -1 A S Sa OSu

6、m B C -1 R=0 R= R=1 D 且有：且有： k=1 (45 線線)時(shí)，時(shí)， Sm=Sa， R=0; k= (90 線 線)時(shí)，時(shí)， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0 線 線) 時(shí)，時(shí)， Sa=0， R=1; k h 作作 DC OA ，DC是是R的坐標(biāo)線，的坐標(biāo)線，？ 15 S-1 -1 A S Sa OSu m B C -1 R=0 R= R=1 D h 16 對任一點(diǎn)對任一點(diǎn)A，有，有 Sin =Sa/OA, cos =Sm/OA 由由 AOC可知：可知： S1=OC=OASin(45 - ) =( )OA(Sm-Sa)/OA =( )Smin 2/2 2/2 A S

7、S-1 0 C S D S 2 -101 R Sa Sm 1 u 17 R R -.6-.4-.20.2.4.6.81.0 600 400 200 -400-2000200400600 200 400 600 200 400 S /MPa mS /MPa a S S /MPa min S S /MPa max S S /MPa max 7075-T6 7075-T6 鋁合金等壽命疲勞圖鋁合金等壽命疲勞圖 600 400 200 N=106 N=105 N=104 N=107 N=104, R=0.2 Sm=330 Sa=220 Smax=550 Smin=110 18 R R -.6-.4-.

8、20.2.4.6.81.0 600 400 200 -400-2000200400600 200 400 600 200 400 S /MPa mS /MPa a S S /MPa min S S /MPa max S S /MPa max 7075-T6 7075-T6 鋁合金等壽命疲勞圖鋁合金等壽命疲勞圖 600 400 200 N=106 N=105 N=104 N=107 R=0.2 N=104, Sa=220, lgSa=2.342 N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.11

9、4 Lg S 34567 Lg N 2.1 2.2 2.3 19 SmaxSmax d d D D 彎 曲拉 伸 載荷、尺寸不同時(shí)的 高應(yīng)力區(qū)域體積 拉彎 疲勞破壞主要取決于疲勞破壞主要取決于 作用應(yīng)力的大小和材料抵作用應(yīng)力的大小和材料抵 抗疲勞破壞的能力?？蛊谄茐牡哪芰Α?20 21 40070010001300 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 表表 面面 光光 潔潔 度度 系系 數(shù)數(shù) 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 (Mpa) 鏡面拋光 精磨 熱軋 鍛造 鹽水腐蝕 機(jī)械加工 22 23 10104 410105 510106 610107 7 N S 500500 400400 30030

10、0 200200 150150 鍍鎳+噴丸 噴丸+鍍鎳 基材 鍍鎳 鍍鎳、噴丸對疲勞性能的影響鍍鎳、噴丸對疲勞性能的影響 24 25 拉伸平均應(yīng)力拉伸平均應(yīng)力 大截面尺寸大截面尺寸 表面粗造表面粗造 鍍鉻和鍍鎳鍍鉻和鍍鎳 鍛造或熱軋脫碳鍛造或熱軋脫碳 26 滲氮滲氮 硬化處理硬化處理 碳化（滲碳）碳化（滲碳） 噴丸噴丸 冷軋冷軋 27 再見！謝謝！ 28 29 實(shí)際零構(gòu)件實(shí)際零構(gòu)件 缺口缺口 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 疲勞性能下降。疲勞性能下降。 30 31 32 典型載荷塊典型載荷塊：“100100起落起落”， “萬公里萬公里”，“年年”等。等。 。 S N(起落次數(shù)起落次數(shù)) 100200 某飛機(jī)

11、主輪轂實(shí)測載荷譜 滑行滑行 滑行 拐彎拐彎 著陸著陸 載荷譜分實(shí)測譜和設(shè)計(jì)譜。載荷譜分實(shí)測譜和設(shè)計(jì)譜。 設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的 載荷總譜載荷總譜。 S S1 S2 S3 0 n 33 n D 0 n1 D1 N 1 34 35 ABAB 36 確定載荷譜，選取擬用的應(yīng)力水平；確定載荷譜，選取擬用的應(yīng)力水平； 選用適合構(gòu)件使用的選用適合構(gòu)件使用的S-NS-N曲線；曲線； 計(jì)算在應(yīng)力水平計(jì)算在應(yīng)力水平Si下循環(huán)下循環(huán)ni次的損傷：次的損傷： Di=ni/Ni； 計(jì)算總損傷計(jì)算總損傷 D= ni/Ni； 若若D1，則應(yīng)降低應(yīng)力水平或縮短使用壽命。，則應(yīng)降低應(yīng)力水平或縮短使用壽命。 37 解解：

12、 假定載荷假定載荷P時(shí)的應(yīng)力水平為時(shí)的應(yīng)力水平為Si=200MPa。 由由S-N曲線得到曲線得到Ni, 計(jì)算損傷計(jì)算損傷Di，列入表中。，列入表中。 可知，若取可知，若取S=200MPa, D=1.751,發(fā)生疲勞破壞。發(fā)生疲勞破壞。 再取再取S=150MPa, 算得：算得： D=0.981, 可達(dá)設(shè)計(jì)壽命?？蛇_(dá)設(shè)計(jì)壽命。 載荷載荷Pi ni(106) P 0.05 0.8P 0.1 0.6P 0.5 0.4P 5.0 總損傷總損傷 D= Di= ni/Ni=1.75 Si (MPa) 200 160 120 80 Di=ni/Ni 0.080 0.102 0.288 1.280 Ni (10

13、6) 0.625 0.976 1.736 3.306 150 120 90 60 1.111 1.736 3.086 6.944 0.045 0.058 0.162 0.719 0.98 38 39 設(shè)設(shè)由使用經(jīng)驗(yàn)知由使用經(jīng)驗(yàn)知構(gòu)件在構(gòu)件在B譜下的壽命為譜下的壽命為NB，則：，則： Nn NQ BiiBB () Dn N ii Nn NQ AiiAA () 待求的另一相似構(gòu)件待求的另一相似構(gòu)件在在A譜下的壽命為譜下的壽命為NA，又有：，又有： 40 ： 1.1.是構(gòu)件相似，主要是疲勞破壞發(fā)生的高應(yīng)力區(qū)是構(gòu)件相似，主要是疲勞破壞發(fā)生的高應(yīng)力區(qū) 幾何相似；幾何相似； 2.2.載荷譜相似，主要是載荷

14、譜型（次序）相似，載荷譜相似，主要是載荷譜型（次序）相似， 載荷大小可以不同。載荷大小可以不同。 NQn NNn Nn N AAABBA ()( / ) /( / ) 許多許多改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以可以借鑒過去原型的使用經(jīng)驗(yàn)；借鑒過去原型的使用經(jīng)驗(yàn)； 間接考慮了間接考慮了載荷譜型、作用次序及材料分散性的載荷譜型、作用次序及材料分散性的 影響；影響；故相對故相對MinerMiner理論預(yù)測精度好，應(yīng)用廣泛。理論預(yù)測精度好，應(yīng)用廣泛。 41 42 43 44 恒幅載荷恒幅載荷隨機(jī)載荷譜？隨機(jī)載荷譜？變幅載荷變幅載荷 Miner 計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)法 載荷載荷 0 t 正變程正變程 負(fù)變程負(fù)變程 峰峰 谷

15、谷 相鄰峰、谷點(diǎn)載荷值之差。有正、負(fù)變程相鄰峰、谷點(diǎn)載荷值之差。有正、負(fù)變程 斜率改變符號斜率改變符號 之處。之處。 45 46 S t0 典型譜段典型譜段 雨流計(jì)數(shù)法雨流計(jì)數(shù)法 要求典型段要求典型段 從從最大峰或最大峰或 谷處起止。谷處起止。 0 1 1 22 雨流計(jì)數(shù)典型段雨流計(jì)數(shù)典型段 不失一般性。不失一般性。 47 A B C D E F G H I J A 0 2 4 -2 -4 t S A B C D E F G H I J A 024-2-4S 第一次雨流第一次雨流 B C E F G H I J E 024-2-4S B 第二次雨流第二次雨流 F G I J 024-2-4 第

16、三次雨流第三次雨流 F I 記下流過的最大峰、谷值，為一循環(huán)，讀出記下流過的最大峰、谷值，為一循環(huán)，讀出 S, Sm。 刪除雨滴流過部分，對剩余歷程重復(fù)雨流計(jì)數(shù)。刪除雨滴流過部分，對剩余歷程重復(fù)雨流計(jì)數(shù)。 48 A B C D E F G H I J A 024-2-4S 第一次雨流第一次雨流 B C E F G H I J E 024-2-4S B 第二次雨流第二次雨流 F G I J 024-2-4 第三次雨流第三次雨流 F I 雨流計(jì)數(shù)結(jié)果雨流計(jì)數(shù)結(jié)果 循環(huán)循環(huán)變程變程 均值均值 EHE70.5 BCB4 1 ADA9 0.5 FGF3-0.5 IJI2 -1 雨流計(jì)數(shù)是二參數(shù)計(jì)數(shù)，結(jié)果均為全循環(huán)。雨流計(jì)數(shù)是二參數(shù)計(jì)數(shù)，結(jié)果均為全循環(huán)。 典型段計(jì)數(shù)后的重復(fù)，只需考慮重復(fù)次數(shù)即可。典型段計(jì)數(shù)后的重復(fù)，只需考慮重復(fù)次數(shù)即可。 49 若轉(zhuǎn)換時(shí)若轉(zhuǎn)換時(shí) R不變，不變， N1、N2可用相同的可用相同的S-N曲線曲線 SmN=C 表示時(shí)，表示時(shí)，等損傷轉(zhuǎn)換條