疲勞與斷裂-應(yīng)力疲勞1

1、1 第二章第二章 應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞 2 應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞: Smax104， 也稱(chēng)也稱(chēng)高周疲勞高周疲勞。 應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞: SmaxSy， Nf103-104。 S 34567 Lg N Sf 3) 三參數(shù)式三參數(shù)式 (S-Sf)m.N=C 7 斜線斜線OA+水平線水平線AB R=-1，旋轉(zhuǎn)彎曲時(shí)有：，旋轉(zhuǎn)彎曲時(shí)有： Sf(bending)=0.5Su (Su 1400MPa) 1)疲勞極限疲勞極限Sf與極限強(qiáng)度與極限強(qiáng)度Su之關(guān)系之關(guān)系 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

2、 S MPa u S S / /S S =0.5 =0.5 fu S S =700 =700 f f 常用金屬材料數(shù)據(jù)圖常用金屬材料數(shù)據(jù)圖 8 軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限可估計(jì)為：可估計(jì)為： Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su 實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)在(0.3-0.45)Su之間之間 高強(qiáng)脆性材料，極限強(qiáng)度高強(qiáng)脆性材料，極限強(qiáng)度Su取為取為 b ； 延性材料延性材料, Su取為取為 ys。 扭轉(zhuǎn)載荷作用下的疲勞極限扭轉(zhuǎn)載荷作用下的疲勞極限可估計(jì)為：可估計(jì)為： Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)在(

3、0.25-0.3)Su之間之間 注意，注意，不同載荷形式下的不同載荷形式下的Sf和和S-N曲線是不同的曲線是不同的。 9 故由故由S-N曲線有：曲線有： (0.9Su)m103=(kSu)m106 =C 參數(shù)為：參數(shù)為： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m103 假定假定1：壽命：壽命 N=103時(shí)，有：時(shí)，有： S103=0.9Su； 高周疲勞： 高周疲勞：N103。 已知已知Sf 和和 Su, S-N曲線用曲線用 Sm.N=C 表達(dá)。表達(dá)。 假定假定2：壽命：壽命N=106時(shí)，時(shí)， S106=Sf=kSu, 如彎曲時(shí)，如彎曲時(shí)，k=0.5。 2)無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)S

4、-N曲線的估計(jì)曲線的估計(jì) ( (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 R ，Sm ；且有：且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影響的影響Sm的影響的影響 Sm0, 對(duì)疲勞有不利的影響；對(duì)疲勞有不利的影響； Sm0, 壓縮平均應(yīng)力存在，對(duì)疲勞是有利的。壓縮平均應(yīng)力存在，對(duì)疲勞是有利的。 噴丸、擠壓和預(yù)應(yīng)變噴丸、擠壓和預(yù)應(yīng)變殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力提高壽命。提高壽命。 2.2 平均應(yīng)力的影響平均應(yīng)力的影響 1) 一般趨勢(shì)一般趨勢(shì) Sa不變不變，R or Sm ；N ； N不變不變，R or Sm

5、 ；SN ; S N Sm0 a R增大 11 2） Sa-Sm關(guān)系關(guān)系 如圖，在等壽命線上，如圖，在等壽命線上， Sm ，Sa ； Sm Su。 Haigh圖圖: (無(wú)量綱形式無(wú)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。 對(duì)于其他給定的對(duì)于其他給定的N，只需將，只需將S-1換成換成Sa(R=-1)即可。即可。 利用上述關(guān)系，已知利用上述關(guān)系，已知Su和基本和基本S-N曲線，即可估計(jì)曲線，即可估計(jì) 不同不同Sm下的下的Sa 或或SN。 Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=

6、1 12 解：解： 1. 工作循環(huán)應(yīng)力幅和平均應(yīng)力：工作循環(huán)應(yīng)力幅和平均應(yīng)力： Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2=440 MPa 例例2.1: 構(gòu)件受拉壓循環(huán)應(yīng)力作用，構(gòu)件受拉壓循環(huán)應(yīng)力作用，Smax=800 MPa, Smin=80 MPa。 若已知材料的極限強(qiáng)度為若已知材料的極限強(qiáng)度為 Su=1200 MPa，試估算其疲勞壽命。，試估算其疲勞壽命。 2. 估計(jì)對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的基本估計(jì)對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的基本S-N曲線：曲線： 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)，

7、則 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.5361025 13 4. 估計(jì)構(gòu)件壽命估計(jì)構(gòu)件壽命 對(duì)稱(chēng)循環(huán)對(duì)稱(chēng)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. 循環(huán)應(yīng)力水平循環(huán)應(yīng)力水平等壽命轉(zhuǎn)換等壽命轉(zhuǎn)換 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, 等壽命等壽命地地轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的應(yīng)為對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的應(yīng) 力水平力水平Sa(R=-1)，由，由

8、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 重畫(huà)重畫(huà)Sa-Sm關(guān)系圖。關(guān)系圖。 射線斜率射線斜率k, k=Sa/Sm；又有；又有 R=Smin/Smax =(Sm-Sa)/(Sm+Sa) =(1-k)/(1+k) k、R 一一對(duì)應(yīng)，射線上各點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，射線上各點(diǎn)R相同。相同。 S-1 -1 A S Sa OSu m B C -1 R=0 R= R=1 D 3) 等壽命疲勞圖等壽命疲勞圖 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，

9、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，如何標(biāo)定如何標(biāo)定？ 15 故可知故可知: R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值在值在AC上上 線性標(biāo)定即可線性標(biāo)定即可。 設(shè)設(shè)AB=h，OB的斜率為：的斜率為： k=Sa/Sm=(OAsin45 -hsin45 ) /(OAcos45 +hcos45 ) =(OA-h)/(OA+h) S-1 -1 A S Sa OSu m B C -1 R=0 R= R=1 D h 將將Sa-Sm關(guān)系圖旋轉(zhuǎn)關(guān)系圖旋轉(zhuǎn) 45 度，坐標(biāo)度，坐標(biāo)S1 和和S2 代表什么？代

10、表什么？ 16 如此得到的圖，稱(chēng)為等壽命疲勞圖。由圖可以如此得到的圖，稱(chēng)為等壽命疲勞圖。由圖可以: 直接讀出給定壽命直接讀出給定壽命N下的下的Sa、Sm、Smax、Smin、R； 在給定在給定R下，由射線與等壽命線交點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，下，由射線與等壽命線交點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)， 得到不同得到不同R下的下的 S-N曲線。曲線。 對(duì)任一點(diǎn)對(duì)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 可見(jiàn)，可見(jiàn)，S1表示表示Smin, 坐標(biāo)按坐標(biāo)按0.707 標(biāo)定；還可證標(biāo)定；還可

11、證, S2表示表示Smax。 A S 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=

12、110 18 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 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

13、, Sa=130, lgSa=2.114 19 1. 1. 載荷形式的影響載荷形式的影響 S Sf f（彎）（彎）S Sf f（拉）（拉） 拉壓循環(huán)高應(yīng)力區(qū)體積大，存在缺陷并引發(fā)裂拉壓循環(huán)高應(yīng)力區(qū)體積大，存在缺陷并引發(fā)裂 紋萌生的可能大、機(jī)會(huì)多。所以，同樣應(yīng)力水平作紋萌生的可能大、機(jī)會(huì)多。所以，同樣應(yīng)力水平作 用下，拉壓循環(huán)載荷時(shí)壽命比彎曲短；或者說(shuō)，同用下，拉壓循環(huán)載荷時(shí)壽命比彎曲短；或者說(shuō)，同 樣壽命下，拉壓循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度比彎曲情況低。樣壽命下，拉壓循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度比彎曲情況低。 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?/p>

14、破壞的能力。 20 同樣可用高應(yīng)力區(qū)體積的不同來(lái)解釋。同樣可用高應(yīng)力區(qū)體積的不同來(lái)解釋。 應(yīng)力水平相同時(shí)，試件尺寸越大，高應(yīng)力應(yīng)力水平相同時(shí)，試件尺寸越大，高應(yīng)力 區(qū)域體積越大。區(qū)域體積越大。 疲勞發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)材料最薄弱處，體積疲勞發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)材料最薄弱處，體積 越大，存在缺陷或薄弱處的可能越大。越大，存在缺陷或薄弱處的可能越大。 2. 尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng) 尺寸效應(yīng)可以用一個(gè)修正因子尺寸效應(yīng)可以用一個(gè)修正因子Csize表達(dá)為：表達(dá)為： Csize=1.189d-0.097 8mm d 250mm 當(dāng)直徑當(dāng)直徑d8mm時(shí)，時(shí)，Csize=1。 尺寸修正后的疲勞極限為：尺寸修正后的疲勞極限為：

15、Sf= CsizeSf. 尺寸效應(yīng)對(duì)于長(zhǎng)壽命疲勞影響較大。尺寸效應(yīng)對(duì)于長(zhǎng)壽命疲勞影響較大。 21 3. 表面光潔度的影響表面光潔度的影響 由疲勞破壞機(jī)理知，表由疲勞破壞機(jī)理知，表 面粗糙，局部應(yīng)力集中增面粗糙，局部應(yīng)力集中增 大，裂紋萌生壽命縮短。大，裂紋萌生壽命縮短。 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 材料強(qiáng)度越高，材料強(qiáng)度越高， 光潔度的影響越大；光潔度的影響越大； 應(yīng)力水平越低，壽應(yīng)力水平越低，壽 命越長(zhǎng)，光潔度的影響命越長(zhǎng)，光潔

16、度的影響 越大。越大。 加工時(shí)的劃痕、碰傷加工時(shí)的劃痕、碰傷( (尤其尤其 在在孔、臺(tái)階等高應(yīng)力孔、臺(tái)階等高應(yīng)力 區(qū)區(qū)) )，可能是潛在的裂紋源，應(yīng)當(dāng)注意防止碰劃。，可能是潛在的裂紋源，應(yīng)當(dāng)注意防止碰劃。 22 材料強(qiáng)度越高，循環(huán)應(yīng)力水平越低，壽命越長(zhǎng)，材料強(qiáng)度越高，循環(huán)應(yīng)力水平越低，壽命越長(zhǎng)， 效果越好。在缺口應(yīng)力集中處采用效果越好。在缺口應(yīng)力集中處采用, ,效果更好。效果更好。 4.4.表面處理的影響表面處理的影響 殘余拉應(yīng)力則有害。焊接、氣割、磨削等會(huì)引殘余拉應(yīng)力則有害。焊接、氣割、磨削等會(huì)引 入殘余拉應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度降低或壽命減小。入殘余拉應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度降低或壽命減小。 疲勞裂紋常起

17、源于表面。疲勞裂紋常起源于表面。 在表面引入壓縮殘余應(yīng)力，可提高疲勞壽命。在表面引入壓縮殘余應(yīng)力，可提高疲勞壽命。 表面噴丸；銷(xiāo)、軸、螺栓冷擠壓；干涉配合等；表面噴丸；銷(xiāo)、軸、螺栓冷擠壓；干涉配合等； 都可在表面引入殘余壓應(yīng)力都可在表面引入殘余壓應(yīng)力, ,提高壽命。提高壽命。 溫度、載荷、使用時(shí)間等因素可能引起應(yīng)力松溫度、載荷、使用時(shí)間等因素可能引起應(yīng)力松 弛，例如，鋼在弛，例如，鋼在350 C以上以上, 鋁在鋁在150 C以上，以上， 就可能出現(xiàn)應(yīng)力松弛，影響疲勞壽命。就可能出現(xiàn)應(yīng)力松弛，影響疲勞壽命。 23 鍍鉻或鍍鎳，引入殘余拉鍍鉻或鍍鎳，引入殘余拉 應(yīng)力，疲勞極限下降。應(yīng)力，疲勞極限下

18、降。 材料強(qiáng)度越高，壽命越長(zhǎng)，材料強(qiáng)度越高，壽命越長(zhǎng)， 鍍層越厚，影響越大；鍍層越厚，影響越大； 10104 410105 510106 610107 7 N S 500500 400400 300300 200200 150150 鍍鎳+噴丸 噴丸+鍍鎳 基材 鍍鎳 鍍鎳、噴丸對(duì)疲勞性能的影響鍍鎳、噴丸對(duì)疲勞性能的影響 熱軋或鍛造，會(huì)使表面脫碳，強(qiáng)度下降并在表面熱軋或鍛造，會(huì)使表面脫碳，強(qiáng)度下降并在表面 引入拉伸殘余應(yīng)力?？墒蛊跇O限降低引入拉伸殘余應(yīng)力。可使疲勞極限降低50%甚至更甚至更 多。材料強(qiáng)度越高，影響越大。多。材料強(qiáng)度越高，影響越大。 滲碳或滲氮，可提高表層材料強(qiáng)度并引入殘余壓應(yīng)

19、滲碳或滲氮，可提高表層材料強(qiáng)度并引入殘余壓應(yīng) 力，使鋼材疲勞極限提高。對(duì)于缺口件，效果更好。力，使鋼材疲勞極限提高。對(duì)于缺口件，效果更好。 鍍鋅或鍍鎘，影響較小，但防磨蝕效果比鍍鉻差。鍍鋅或鍍鎘，影響較小，但防磨蝕效果比鍍鉻差。 鍍前滲氮，鍍后噴丸等，鍍前滲氮，鍍后噴丸等， 可以減小其不利影響?？梢詼p小其不利影響。 殘余拉應(yīng)力則有害。焊接、氣割、磨削等會(huì)引 入殘余拉應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度降低或壽命減小。 溫度、載荷、使用時(shí)間等因素可能引起應(yīng)力松 弛，例如，鋼在350C以上, 鋁在150C以上，就 可能出現(xiàn)應(yīng)力松弛，影響疲勞壽命。 五、其他因素的影響五、其他因素的影響 腐蝕介質(zhì)將加速疲勞裂紋的產(chǎn)生腐蝕疲勞。 25 Care should be taken when using the idea of an endurance limit, a “safe stress” below which fatigue will not occur. Only plain carbon and low-alloy steel exhibit this property, and it may disappear due to high temperat