疲勞強(qiáng)第三PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1疲勞強(qiáng)第三疲勞強(qiáng)第三第1頁/共41頁 大量疲勞破壞事故和試驗(yàn)研究都曾表明，疲勞源總是出現(xiàn)大量疲勞破壞事故和試驗(yàn)研究都曾表明，疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。應(yīng)力集中使結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低，對(duì)疲勞在應(yīng)力集中的地方。應(yīng)力集中使結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低，對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大影響，而且是影響疲勞強(qiáng)度的諸因素中起主要作用強(qiáng)度有較大影響，而且是影響疲勞強(qiáng)度的諸因素中起主要作用的一個(gè)因素。應(yīng)力集中對(duì)靜力強(qiáng)度的影響程度與材料的性質(zhì)有的一個(gè)因素。應(yīng)力集中對(duì)靜力強(qiáng)度的影響程度與材料的性質(zhì)有關(guān)。關(guān)。 第2頁/共41頁第3頁/共41頁第4頁/共41頁第5頁/共41頁第6頁/共41頁定定量量分分析析方方法法： 在在靜靜載載

2、荷荷作作用用下下構(gòu)構(gòu)件件局局部部應(yīng)應(yīng)力力的的嚴(yán)嚴(yán)重重程程度度可可以以由由“理理論論應(yīng)應(yīng)力力集集中中系系數(shù)數(shù)tK” （也也稱稱為為“幾幾何何應(yīng)應(yīng)力力集集中中系系數(shù)數(shù)” ）來來表表示示。 tK定定義義為為 tK 最大局部彈性應(yīng)力名義應(yīng)力理論應(yīng)力集中系數(shù)與材料無關(guān)，而只與結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。第7頁/共41頁名義應(yīng)力：理論應(yīng)力集中系數(shù)：)(dWPnntKmax第8頁/共41頁 應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度有顯著影響，但其影響程度并不直應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度有顯著影響，但其影響程度并不直接由理論應(yīng)力集中系數(shù)所決定，而是由所謂的“疲勞強(qiáng)度降接由理論應(yīng)力集中系數(shù)所決定，而是由所謂的“疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)”低系數(shù)” fK決定的。決定

3、的。 fK有時(shí)也稱為“有效疲勞應(yīng)力集中系數(shù)”或“疲勞缺口有時(shí)也稱為“有效疲勞應(yīng)力集中系數(shù)”或“疲勞缺口系數(shù)”等。系數(shù)”等。fK的定義是的定義是 缺口試件的疲勞強(qiáng)度光滑試件的疲勞強(qiáng)度fK第9頁/共41頁引引入入 “敏敏感感系系數(shù)數(shù)” q的的概概念念，以以 q來來表表示示材材料料對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)力力集集中中的的敏敏感感程程度度。q被被定定義義為為 q值值的的決決定定可可以以根根據(jù)據(jù)試試驗(yàn)驗(yàn)得得到到。也也可可以以由由經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公公式式確確定定。一一般般地地，q為為缺缺口口張張開開角角、缺缺口口根根部部半半徑徑和和材材料料常常數(shù)數(shù)的的函函數(shù)數(shù)。 11ftKqK第10頁/共41頁計(jì)算敏感系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式（ 為缺口根

4、部半徑） 11 ( / )qa r11/qa r11qar或若考慮缺口張開角 的影響： 其中，材料常數(shù) 與晶粒尺寸和材料的強(qiáng)度極限有關(guān)。ar第11頁/共41頁 零件的尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，這是同應(yīng)力梯零件的尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，這是同應(yīng)力梯度有關(guān)的。度有關(guān)的。 一般地說，零件的疲勞強(qiáng)度隨其尺寸的增大而降低。因一般地說，零件的疲勞強(qiáng)度隨其尺寸的增大而降低。因此這是一個(gè)值得注意的問題，因?yàn)椴牧系钠趶?qiáng)度總是用小此這是一個(gè)值得注意的問題，因?yàn)椴牧系钠趶?qiáng)度總是用小試件來試驗(yàn)的，得到的疲勞強(qiáng)度數(shù)值就比實(shí)際使用中大部件試件來試驗(yàn)的，得到的疲勞強(qiáng)度數(shù)值就比實(shí)際使用中大部件能承受的值要高，如

5、果不加修正是不安全的。能承受的值要高，如果不加修正是不安全的。 第12頁/共41頁第13頁/共41頁尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的主要解釋：（1）尺寸不同，在相同的承力形式下，零件的應(yīng)力梯度 不同（如果最大應(yīng)力值相同）大尺寸零件的高應(yīng)力區(qū)域大，從統(tǒng)計(jì)概率的角度看，產(chǎn)生疲勞裂紋的概率大。（2）大尺寸零件中包含了更多可能產(chǎn)生疲勞裂紋的不利因素。（3）加工零件時(shí)，表面將有一些硬化，在很多情況下硬化?？商岣叱志脴O限，相對(duì)來說對(duì)小試件的影響較大。 第14頁/共41頁描述尺寸大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響引入尺寸系數(shù)描述尺寸大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響引入尺寸系數(shù) 來表示，來表示，即即 ()edeSS 即無缺口光滑大試件疲勞強(qiáng)度和無

6、缺口光滑小試件的疲勞即無缺口光滑大試件疲勞強(qiáng)度和無缺口光滑小試件的疲勞強(qiáng)度之比。強(qiáng)度之比。 所謂小試件，通常指直徑為所謂小試件，通常指直徑為 610 毫米的試件。毫米的試件。 第15頁/共41頁尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： (1) 尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)是小于是小于 1 的系數(shù)。的系數(shù)。 (2) 尺寸系數(shù)與加載方式有關(guān)。尺寸系數(shù)與加載方式有關(guān)。 (3) 鋼的強(qiáng)度極限愈高，其尺寸系數(shù)愈小鋼的強(qiáng)度極限愈高，其尺寸系數(shù)愈小，尺寸效應(yīng)愈大。尺寸效應(yīng)愈大。 (4) 具有較大的分散性。具有較大的分散性。尺寸效應(yīng)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響同材料尺寸效應(yīng)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響同材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性以及表面加工狀態(tài)等因素有關(guān)，同

7、時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性以及表面加工狀態(tài)等因素有關(guān)，同時(shí)還同材料的強(qiáng)度有關(guān)。還同材料的強(qiáng)度有關(guān)。 第16頁/共41頁疲勞裂紋常常從試件的表面開始， 因?yàn)樽畲髴?yīng)力疲勞裂紋常常從試件的表面開始， 因?yàn)樽畲髴?yīng)力一般發(fā)生在零件表面層。另外，在表面層缺陷區(qū)往往一般發(fā)生在零件表面層。另外，在表面層缺陷區(qū)往往最多。最多。 所以， 金屬零件的表面層狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯所以， 金屬零件的表面層狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯著的影響。著的影響。 第17頁/共41頁 通常表面層狀態(tài)指表面加工光潔度、 表面層的組織結(jié)通常表面層狀態(tài)指表面加工光潔度、 表面層的組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等。構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等。 一般說疲勞強(qiáng)度隨表面光潔度的提高而增

8、加。反之，一般說疲勞強(qiáng)度隨表面光潔度的提高而增加。反之，如果表面加工愈粗糙， 疲勞強(qiáng)度的降低就越嚴(yán)重， 而且這如果表面加工愈粗糙， 疲勞強(qiáng)度的降低就越嚴(yán)重， 而且這種影響通常對(duì)強(qiáng)度越高的鋼越明顯。種影響通常對(duì)強(qiáng)度越高的鋼越明顯。 表面光潔度對(duì)疲勞強(qiáng)表面光潔度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可用表面敏感系數(shù)度的影響可用表面敏感系數(shù) 來表示，即來表示，即 精拋光試件的疲勞強(qiáng)度某加工試件的疲勞強(qiáng)度第18頁/共41頁第19頁/共41頁提高金屬疲勞強(qiáng)度的方法：提高金屬疲勞強(qiáng)度的方法： 1、 表面處理表面處理 由于表面狀態(tài)對(duì)金屬的疲勞強(qiáng)度有著重要的影由于表面狀態(tài)對(duì)金屬的疲勞強(qiáng)度有著重要的影響，通過各種表面處理的方法來提高

9、金屬的疲勞響，通過各種表面處理的方法來提高金屬的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于鋼材可以通過表面化學(xué)熱處理，如表強(qiáng)度。對(duì)于鋼材可以通過表面化學(xué)熱處理，如表面滲碳、滲氮、氰化和表面淬火，加高頻電表面面滲碳、滲氮、氰化和表面淬火，加高頻電表面淬火、火焰加熱表面淬火等。淬火、火焰加熱表面淬火等。 2、表面冷作硬化、表面冷作硬化 提高金屬零件疲勞強(qiáng)度的另一途徑是表面冷作變提高金屬零件疲勞強(qiáng)度的另一途徑是表面冷作變形，例如滾壓、滾壓拋光和噴丸等強(qiáng)化處理。表形，例如滾壓、滾壓拋光和噴丸等強(qiáng)化處理。表面滾壓會(huì)使金屬表面層加工硬化并形成較高的殘面滾壓會(huì)使金屬表面層加工硬化并形成較高的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。余壓應(yīng)力，從而

10、提高疲勞強(qiáng)度。 第20頁/共41頁腐蝕介質(zhì)（包括大氣）對(duì)金屬材料的疲勞斷裂的影響腐蝕介質(zhì)（包括大氣）對(duì)金屬材料的疲勞斷裂的影響可分兩種情況：可分兩種情況： 一種情況是金屬材料在靜的拉應(yīng)力和某些介質(zhì)的作用一種情況是金屬材料在靜的拉應(yīng)力和某些介質(zhì)的作用下會(huì)產(chǎn)生腐蝕裂紋及裂紋擴(kuò)展， 并引起破壞， 這就是下會(huì)產(chǎn)生腐蝕裂紋及裂紋擴(kuò)展， 并引起破壞， 這就是應(yīng)力腐應(yīng)力腐蝕蝕。 另一種情況是在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下引起另一種情況是在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下引起的裂紋和破壞，即的裂紋和破壞，即腐蝕疲勞腐蝕疲勞。 這里的腐蝕主要是指的這種破壞，并著重討論腐蝕介這里的腐蝕主要是指的這種破壞，并著重討論腐

11、蝕介質(zhì)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。質(zhì)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。 第21頁/共41頁 腐蝕對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可用腐蝕系數(shù)來表示：腐蝕對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可用腐蝕系數(shù)來表示： 強(qiáng)度空氣中光滑試件的疲勞極限腐蝕環(huán)境下材料的疲勞2第22頁/共41頁第23頁/共41頁第24頁/共41頁第25頁/共41頁溫溫度是對(duì)疲勞壽命和損傷影響的另一個(gè)重要的環(huán)境度是對(duì)疲勞壽命和損傷影響的另一個(gè)重要的環(huán)境因素。因素。因?yàn)椴牧显诓煌臏囟认?，其疲勞?qiáng)度會(huì)有很大的因?yàn)椴牧显诓煌臏囟认?，其疲勞?qiáng)度會(huì)有很大的變化。變化。 在靜載荷長期作用下，材料在高溫時(shí)存在蠕變現(xiàn)象，在靜載荷長期作用下，材料在高溫時(shí)存在蠕變現(xiàn)象，溫度愈高，在一定的應(yīng)力下，材料的蠕變

12、變形愈快，破壞溫度愈高，在一定的應(yīng)力下，材料的蠕變變形愈快，破壞所需的時(shí)間就愈短。因此，材料在高溫下首先需要具備高所需的時(shí)間就愈短。因此，材料在高溫下首先需要具備高的抗蠕變性能。的抗蠕變性能。 如果高溫和交變載荷同時(shí)作用，那末就會(huì)發(fā)生蠕變和如果高溫和交變載荷同時(shí)作用，那末就會(huì)發(fā)生蠕變和疲勞的相互作用，在這種情況下，應(yīng)變率，頻率和停滯時(shí)疲勞的相互作用，在這種情況下，應(yīng)變率，頻率和停滯時(shí)間的影響都是重要的。那些在高溫下抗蠕變性能較好的合間的影響都是重要的。那些在高溫下抗蠕變性能較好的合金，常常也具有較好的抗疲勞性能。金，常常也具有較好的抗疲勞性能。 第26頁/共41頁 通用疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作頻率約在

13、通用疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作頻率約在500 到到 10000 周分之間。周分之間。有些試驗(yàn)指出，大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度在這個(gè)加載頻率范有些試驗(yàn)指出，大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度在這個(gè)加載頻率范圍內(nèi)沒有多大變化。圍內(nèi)沒有多大變化。 第27頁/共41頁第28頁/共41頁例如，鋼材在例如，鋼材在 200 到到 5000 周分之間，加載頻率對(duì)疲勞強(qiáng)周分之間，加載頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度沒有影響。度沒有影響。 一些鋼材在一些鋼材在300周分加載頻率下的疲勞強(qiáng)度與周分加載頻率下的疲勞強(qiáng)度與l0000周周分加載頻率下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較，只有百分之幾的差別。分加載頻率下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較，只有百分之幾的差別。 對(duì)于鋁合金，這種加

14、載頻率的影響甚至更小。對(duì)于鋁合金，這種加載頻率的影響甚至更小。 如對(duì)于一些鋁銅、鋁鋅及鋁錳合金分別在如對(duì)于一些鋁銅、鋁鋅及鋁錳合金分別在 350 周分及周分及8000周分的加載頻率下得到的疲勞強(qiáng)度最多只有周分的加載頻率下得到的疲勞強(qiáng)度最多只有1的差別。的差別。 對(duì)鋁合金板材的軸向加載方式，在對(duì)鋁合金板材的軸向加載方式，在 12 周分和周分和 1000 周周分加載頻率下做試驗(yàn)，所得疲勞強(qiáng)度也只有較小的差別。鎂合分加載頻率下做試驗(yàn)，所得疲勞強(qiáng)度也只有較小的差別。鎂合金也有類似情況。金也有類似情況。 第29頁/共41頁第30頁/共41頁第31頁/共41頁一、一、 頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是隨不同材料而有

15、差別的，頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是隨不同材料而有差別的， 而且其表現(xiàn)的程度，不同人的試驗(yàn)結(jié)果也有出入。而且其表現(xiàn)的程度，不同人的試驗(yàn)結(jié)果也有出入。但由于對(duì)常用材料（如鋼材和鋁、鎂但由于對(duì)常用材料（如鋼材和鋁、鎂合合金等）在相金等）在相大的范圍內(nèi)，加載頻率對(duì)材料疲勞強(qiáng)度影響不大。大的范圍內(nèi)，加載頻率對(duì)材料疲勞強(qiáng)度影響不大。 二、二、 上述的各種提法是指在室溫和干燥的空氣中作的上述的各種提法是指在室溫和干燥的空氣中作的試驗(yàn)而得的，如果在有腐蝕環(huán)境或者在高溫條件下試驗(yàn)而得的，如果在有腐蝕環(huán)境或者在高溫條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，則頻率的影響是很大的。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，則頻率的影響是很大的。 第32頁/共41頁載荷類

16、型載荷類型 構(gòu)件承受一維的疲勞載荷可分三種類型：單軸向、彎曲構(gòu)件承受一維的疲勞載荷可分三種類型：單軸向、彎曲(旋轉(zhuǎn)彎曲和反復(fù)彎曲旋轉(zhuǎn)彎曲和反復(fù)彎曲)和扭轉(zhuǎn)。和扭轉(zhuǎn)。 考慮載荷類型的不同，可以引入一個(gè)載荷修正因子考慮載荷類型的不同，可以引入一個(gè)載荷修正因子 LC。 早期的材料疲勞性能數(shù)據(jù)大多是由旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)得來早期的材料疲勞性能數(shù)據(jù)大多是由旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)得來的，所以旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)的，所以旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)LC10。 知道旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞強(qiáng)度，只要乘上相應(yīng)的載荷修正因知道旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞強(qiáng)度，只要乘上相應(yīng)的載荷修正因子就可以分別得到上述幾種類型的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)。反復(fù)彎子就可以分別得到上述幾種類型的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)。反

17、復(fù)彎曲曲LC10；軸向拉壓；軸向拉壓LC085；反復(fù)扭轉(zhuǎn)；反復(fù)扭轉(zhuǎn)(剪切剪切) LC058。 第33頁/共41頁應(yīng)力比應(yīng)力比 飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中，實(shí)際上承受的不可能是完全對(duì)稱飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中，實(shí)際上承受的不可能是完全對(duì)稱的裁荷。很多試驗(yàn)表明，隨著平均應(yīng)力的增加，材料的疲的裁荷。很多試驗(yàn)表明，隨著平均應(yīng)力的增加，材料的疲勞極限會(huì)相應(yīng)地減小。關(guān)于平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響，勞極限會(huì)相應(yīng)地減小。關(guān)于平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響，可利用等壽命曲線的經(jīng)驗(yàn)公式來加以修正可利用等壽命曲線的經(jīng)驗(yàn)公式來加以修正 （1） 拋物線公式拋物線公式 式中式中1S是平均應(yīng)力等于零 （是平均應(yīng)力等于零 （0mS） ， 即） ， 即

18、1R情況下的情況下的疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度。 211bmaSSS第34頁/共41頁（2）古德曼直線公式，它是拋物線公式的修正，其公式為）古德曼直線公式，它是拋物線公式的修正，其公式為 bmaSSS11 （3）索德柏格直線公式， 把古德曼直線公式中的）索德柏格直線公式， 把古德曼直線公式中的 b換成屈換成屈服極限服極限2 . 0，即，即 2 . 011maSSS 第35頁/共41頁聲疲勞聲疲勞 環(huán)境對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，除了前面討論的溫度、腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，除了前面討論的溫度、腐蝕等因素外，飛機(jī)上還有一個(gè)聲環(huán)境問題。等因素外，飛機(jī)上還有一個(gè)聲環(huán)境問題。 由于大功率噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，使靠近噴口附近

19、部位由于大功率噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，使靠近噴口附近部位的飛機(jī)結(jié)構(gòu)固受到高聲強(qiáng)噪音的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，這是現(xiàn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)固受到高聲強(qiáng)噪音的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，這是現(xiàn)代飛機(jī)特有的所謂“聲疲勞”問題代飛機(jī)特有的所謂“聲疲勞”問題(高速飛機(jī)的噪音源除了高速飛機(jī)的噪音源除了發(fā)動(dòng)機(jī)外，還有時(shí)面層噪音、層流嗓音、沖擊政等發(fā)動(dòng)機(jī)外，還有時(shí)面層噪音、層流嗓音、沖擊政等)。 第36頁/共41頁第37頁/共41頁對(duì)影響疲勞強(qiáng)度的因素有了些認(rèn)識(shí)以后，重要的不在于對(duì)影響疲勞強(qiáng)度的因素有了些認(rèn)識(shí)以后，重要的不在于我們能夠去解釋這些因素，而是要運(yùn)用這些認(rèn)識(shí)去指導(dǎo)我們我們能夠去解釋這些因素，而是要運(yùn)用這些認(rèn)識(shí)去指導(dǎo)我們的實(shí)踐：的實(shí)踐： （1） 我們知道了加載頻率對(duì)一般常用金屬材料在一定范圍我們知道了加載頻率對(duì)一般常用金屬材料在一定范圍內(nèi)沒有多大影響。因此，在做元件試驗(yàn)時(shí)就采用較高內(nèi)沒有多大影響。因此，在做元件試驗(yàn)時(shí)就采用較高的加載頻率 （加每分鐘幾千次到一萬次） ， 以縮短時(shí)間。的加載頻率 （加每分鐘幾千次到一萬