第四講應(yīng)力疲勞

1、第四講 應(yīng)力疲勞前節(jié)回顧基本S-N曲線，三個(gè)區(qū)域S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)疲勞極限Sf的近似估計(jì) Sf = kSb等壽命疲勞Gerber拋物線模型，Goodman直線模型，Soderberg直線模型等壽命疲勞曲線圖影響疲勞性能的若干因素1荷載形式材料的疲勞極限與荷載形式有如下關(guān)系 Sf（彎）> Sf（拉）> Sf（扭）拉伸與彎曲的比較，如最大拉應(yīng)力相同拉伸：整個(gè)構(gòu)件材料均處于最大拉應(yīng)力狀態(tài)彎曲：僅構(gòu)件邊緣附近材料處于最大拉應(yīng)力狀態(tài)SmaxSmax拉伸時(shí)處于高應(yīng)力區(qū)的材料體積遠(yuǎn)大于彎曲時(shí)的材料體積，即在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)包含了更多的缺陷，引發(fā)裂紋萌生的可能性也大。扭轉(zhuǎn)與拉壓彎曲的應(yīng)力狀態(tài)不同。2尺

2、寸效應(yīng)構(gòu)件體積越大，處于高應(yīng)力區(qū)的材料體積也大，包含的缺陷越多，因此大尺寸構(gòu)件的疲勞壽命低于小尺寸構(gòu)件。尺寸效應(yīng)以修正因子Csize表達(dá)為 尺寸效應(yīng)以修正因子可由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得。尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)壽命疲勞影響顯著，在高應(yīng)力水平低壽命時(shí)，材料分散性相對(duì)減少，尺寸效應(yīng)影響較小，如以上述因子修正整條S-N曲線則過于保守。3表面光潔度的影響由于疲勞的局部性，如構(gòu)件表面粗糙，將加劇局部應(yīng)力的集中程度，裂紋萌生壽命縮短。類似于尺寸修正，表面光潔度的影響用表面光潔度系數(shù)進(jìn)行修正。 一般，材料強(qiáng)度越高，表面光潔度的影響越大，應(yīng)力水平越低，表面光潔度的影響越大。4溫度和環(huán)境的影響在海水、水蒸氣等腐蝕環(huán)境下的疲勞稱為腐蝕

3、疲勞。腐蝕通常使材料表面氧化形成保護(hù)性氧化膜，在疲勞荷載作用下氧化膜局部開裂使材料再次被腐蝕而逐步形成腐蝕坑，造成局部應(yīng)力集中，加快了裂紋的萌生，使構(gòu)件的疲勞壽命縮短。腐蝕疲勞的一般趨勢(shì)1）荷載循環(huán)頻率影響顯著一般材料的S-N曲線在200Hz以內(nèi)對(duì)頻率不敏感，在腐蝕環(huán)境中頻率的降低則腐蝕作用有充分時(shí)間顯示，使疲勞性能下降。2）在腐蝕介質(zhì)（如海水）中，半浸入狀態(tài)比完全浸入更不利。5應(yīng)力集中的影響實(shí)際構(gòu)件存在的不同形式的缺口，如孔、圓角、槽等所引起的應(yīng)力集中使疲勞性能下降。1）疲勞缺口系數(shù)缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度用理論彈性應(yīng)力集中系數(shù)描述。 理論彈性應(yīng)力集中系數(shù)一般lgSlgN無缺口構(gòu)件缺口構(gòu)件由彈

4、性理論分析、有限元法或?qū)嶒?yàn)方法得到。應(yīng)力集中系數(shù)Kt不同，S-N曲線不同。材料不同，Kt對(duì)S-N曲線的影響也不同。(a)(b)Kt對(duì)S-N曲線的影響；(a) LY12B-CZ板材，R = 0.1；(b) LC9-CS板材，R = 0.1由于理論應(yīng)力集中系數(shù)不足以描述缺口對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，因此提出了疲勞缺口系數(shù)。疲勞缺口系數(shù)定義為 ：無缺口構(gòu)件疲勞極限：缺口構(gòu)件疲勞極限疲勞缺口系數(shù)Kf與彈性應(yīng)力集中系數(shù)Kt相關(guān)，Kt­，應(yīng)力集中嚴(yán)重，疲勞壽命縮短，Kf­。研究表明，材料的塑性是影響Kf的主要原因之一，高塑性材料的Kf遠(yuǎn)小于Kt，即對(duì)缺口不敏感。脆性材料的Kf接近Kt，對(duì)缺口敏

5、感。2）缺口敏感系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究表明Kf ¹ Kt，Kt僅依賴于構(gòu)件的幾何尺寸，Kf則與荷載形式、平均應(yīng)力水平、加載次數(shù)、環(huán)境條件等有關(guān)。一般，二者間關(guān)系可寫為 ：缺口敏感系數(shù)，是Kf和Kt的一致性度量。q = 0，Kf 1，Sf = Sf ，缺口對(duì)疲勞性能無影響q = 1，Kf = Kt ，Sf = Sf /Kt ，缺口對(duì)疲勞性能影響嚴(yán)重缺口敏感系數(shù)可由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得如缺口最大實(shí)際應(yīng)力不超過材料屈服應(yīng)力，則缺口敏感系數(shù)可按以下公式估計(jì)Peterson式： ， 或 r：缺口根部半徑a：材料特征長(zhǎng)度 Peterson式中的a值Neuber-Kuhn式： ， 或 r：缺口根部半徑a：材料特征長(zhǎng)

6、度Neuber-Kuhn式中的值一般，材料強(qiáng)度越高， a值則越小，疲勞缺口敏感系數(shù)越大，即缺口對(duì)構(gòu)件疲勞性能影響越大。對(duì)于兩個(gè)材料相同（a相同），幾何相似（Kt相同）的缺口，缺口根部半徑越大，疲勞強(qiáng)度下降越大。3）缺口S-N曲線的近似估計(jì)由疲勞缺口系數(shù)Kf（或敏感系數(shù)q）可近似估計(jì)缺口件疲勞極限Sf 。如用Kf（或敏感系數(shù)q）修正整個(gè)S-N曲線則過于保守。因此定義壽命N = 103時(shí) 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于高強(qiáng)度材料(Kf -1)/(Kf -1)約為0.7，對(duì)于低強(qiáng)度材料(Kf -1)/(Kf -1)約為0.2，即缺口影響系數(shù)Kf比疲勞極限對(duì)應(yīng)的系數(shù)Kf要小得多。缺口構(gòu)件S-N曲線的估算設(shè)N = 103時(shí)有： N = 106時(shí)有： 則在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上可確定缺