第2章--材料的疲勞強(qiáng)度上課講義

1、西南交通大學(xué)電子講義第2章 材料(cilio)的疲勞強(qiáng)度第一頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.1 基本概念基本概念q疲勞疲勞q材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點(diǎn)或材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化(binhu)，從，從而在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。而在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。q交變載荷交變載荷q指載荷的大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則、隨指載荷的大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則、隨機(jī)變化機(jī)變化(binhu)的載荷。也叫循環(huán)載荷、疲勞載的載荷。也叫循環(huán)載荷、疲勞載荷。荷。q疲勞壽命

2、疲勞壽命q零件或結(jié)構(gòu)疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)零件或結(jié)構(gòu)疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)，用次數(shù)，用N表示。表示。第二頁(yè)，共43頁(yè)。q疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征q應(yīng)力水平低。交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于應(yīng)力水平低。交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限或屈服極限。材料的強(qiáng)度極限或屈服極限。q脆性斷裂。不論是脆性材料還脆性斷裂。不論是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂在宏觀是塑性材料，疲勞斷裂在宏觀上都表現(xiàn)為沒有明顯塑性變形上都表現(xiàn)為沒有明顯塑性變形的突然斷裂。的突然斷裂。q局部性。局部的疲勞破壞一般局部性。局部的疲勞破壞一般不牽扯到整個(gè)結(jié)構(gòu)。可以采用不牽扯到整個(gè)結(jié)構(gòu)?？梢圆捎镁植吭O(shè)計(jì)或局部工藝措施增加局部

3、設(shè)計(jì)或局部工藝措施增加疲勞壽命。疲勞壽命。q疲勞過程是一個(gè)損傷累積的過疲勞過程是一個(gè)損傷累積的過程。（裂紋形成程。（裂紋形成(xngchng)、擴(kuò)展、斷裂）擴(kuò)展、斷裂）q疲勞破壞斷口有自己明顯的特疲勞破壞斷口有自己明顯的特征。征。sb或者max更具突然性，更危險(xiǎn)(wixin)脆性斷裂區(qū)疲勞區(qū)疲勞源疲勞紋壽命(shumng)可計(jì)算N=N0+Np第三頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.2 金屬疲勞破壞金屬疲勞破壞(phui)機(jī)制機(jī)制金屬疲勞破壞通?？煞譃榻饘倨谄茐耐ǔ？煞譃?fn wi)三個(gè)階段：三個(gè)階段：1.疲勞裂紋萌生。（由局部塑性應(yīng)變集中引起）疲勞裂紋萌生。（由局部塑性應(yīng)變集中引起）

4、裂紋萌生方式有三種裂紋萌生方式有三種:滑移帶開裂滑移帶開裂晶界和孿晶界開裂晶界和孿晶界開裂夾雜物或第二相與基體的界面開裂夾雜物或第二相與基體的界面開裂裂紋萌生一般發(fā)生在金屬表面的原因裂紋萌生一般發(fā)生在金屬表面的原因2.疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展3.失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂第四頁(yè)，共43頁(yè)。裂紋萌生方式之一裂紋萌生方式之一:滑移滑移(hu y)帶開裂帶開裂q是最常見的疲勞裂紋萌生方式,也是三種萌生方式中最基本的一種.q對(duì)于純金屬(jnsh)和單相金屬(jnsh)的疲勞裂紋萌生方式多為滑移開裂.q滑移開裂的過程:q 循環(huán)載荷-薄弱晶粒間沿晶面產(chǎn)生塑性應(yīng)變-晶粒產(chǎn)生滑移(不可恢復(fù))-金屬(jnsh)表面產(chǎn)生滑

5、移線-滑移線隨循環(huán)次數(shù)增加匯集成表面滑移帶-發(fā)展成駐留滑移帶-形成裂紋第五頁(yè)，共43頁(yè)。裂紋萌生方式裂紋萌生方式(fngsh)之二之二:晶界和孿晶界晶界和孿晶界開裂開裂q對(duì)于密排六方晶系,因滑移較少,當(dāng)滑移困難時(shí),孿晶變形較為常見.例如:鉍,鋯,銻,銅,鋅,金,鐵等金屬.q常溫下,裂紋多為穿晶.高溫下,一般(ybn)為晶間、晶界表面相接處出現(xiàn)裂紋.q晶界結(jié)合力比晶粒內(nèi)部弱,在低于晶內(nèi)滑移應(yīng)力下,在晶界上萌生裂紋.第六頁(yè)，共43頁(yè)。裂紋萌生方式之三裂紋萌生方式之三:夾雜物或第二夾雜物或第二(d r)相與基體的界面相與基體的界面開裂開裂q在高強(qiáng)度合金中,粗大的夾雜物和其他第二相質(zhì)點(diǎn)的存在,對(duì)裂紋萌

6、生起重要作用.q合金材料的屈服強(qiáng)度一般很高,只有在很高的應(yīng)力幅下,才能產(chǎn)生滑移帶.但是由于在夾雜物或第二項(xiàng)質(zhì)點(diǎn)處產(chǎn)生了很高的應(yīng)力集中,從而在較低的名義應(yīng)力下也能出現(xiàn)局部的塑性變形,這樣便導(dǎo)致在夾雜物和基體界面上萌生裂紋,或由于夾雜物成脆性(cuxng)第2質(zhì)點(diǎn)的斷裂導(dǎo)致裂紋萌生.第七頁(yè)，共43頁(yè)。疲勞裂紋疲勞裂紋(li wn)經(jīng)常在金屬表面發(fā)生經(jīng)常在金屬表面發(fā)生?q在實(shí)際零件中在實(shí)際零件中,表面應(yīng)力往往表面應(yīng)力往往(wngwng)比內(nèi)部高比內(nèi)部高q內(nèi)部晶粒的四周內(nèi)部晶粒的四周,完全為其他晶粒所包圍完全為其他晶粒所包圍,而表面晶粒所受的約束而表面晶粒所受的約束少少,因而比內(nèi)部晶粒易于滑移因而比內(nèi)

7、部晶粒易于滑移.q表面晶粒與大氣或其他環(huán)境介質(zhì)直接接觸表面晶粒與大氣或其他環(huán)境介質(zhì)直接接觸,有腐蝕作用有腐蝕作用.q表面上往往表面上往往(wngwng)留有加工痕跡或劃傷留有加工痕跡或劃傷,使其疲勞強(qiáng)度降使其疲勞強(qiáng)度降低低.q當(dāng)零件表面經(jīng)強(qiáng)化處理后當(dāng)零件表面經(jīng)強(qiáng)化處理后,表面強(qiáng)度比內(nèi)部高時(shí)表面強(qiáng)度比內(nèi)部高時(shí),疲勞裂紋則一般疲勞裂紋則一般在硬化層下面在硬化層下面.第八頁(yè)，共43頁(yè)。疲勞裂紋疲勞裂紋(li wn)擴(kuò)展擴(kuò)展q階段階段q裂紋首先沿剪應(yīng)力最大的活性面向內(nèi)部擴(kuò)展裂紋首先沿剪應(yīng)力最大的活性面向內(nèi)部擴(kuò)展, ,滑移面趨向大致與滑移面趨向大致與主應(yīng)力軸線成主應(yīng)力軸線成4545度度.(.(這個(gè)階段擴(kuò)

8、展緩慢這個(gè)階段擴(kuò)展緩慢) )q滑移帶上往往萌生有多條裂紋滑移帶上往往萌生有多條裂紋, ,絕大多數(shù)很早就停止絕大多數(shù)很早就停止(tngzh)(tngzh)擴(kuò)擴(kuò)展展. .隨著循環(huán)載荷的繼續(xù)繼續(xù)隨著循環(huán)載荷的繼續(xù)繼續(xù), ,少數(shù)裂紋互相連接超過幾十微米長(zhǎng)少數(shù)裂紋互相連接超過幾十微米長(zhǎng)度度. .這時(shí)的裂紋很少這時(shí)的裂紋很少, ,斷口形貌研究困難斷口形貌研究困難. .q階段q由于晶?；评щy,裂紋擴(kuò)展方向(fngxing)由開始與外力方向(fngxing)成45度逐漸轉(zhuǎn)向與拉伸應(yīng)力成90度,這種拉伸型式的裂紋擴(kuò)展,稱為階段裂紋擴(kuò)。q從階段向階段轉(zhuǎn)變的裂紋長(zhǎng)度，決定于材料和應(yīng)力幅。一般不超過十分之幾毫米。q

9、階段裂紋擴(kuò)展速率比階段快，常常有“疲勞條帶”的顯微特征（叫疲勞條紋）。第九頁(yè)，共43頁(yè)。疲勞破壞階段疲勞破壞階段(jidun)之三之三: 失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂q失穩(wěn)斷裂是疲勞破壞(phui)的最終階段。q瞬間發(fā)生。q失穩(wěn)斷裂是損傷積累到臨界值時(shí)的一種表現(xiàn),裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸,裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值的結(jié)果。q失穩(wěn)斷裂的機(jī)制與靜載斷裂相同,只是由于兩者的加載速率不同,因此其臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子值與靜載下的斷裂塑性值有差別。第十頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.3 疲勞疲勞(plo)破壞斷口分析破壞斷口分析q宏觀分析宏觀分析(全局性初步全局性初步(chb)分析分析)q用肉眼和用肉眼和25倍

10、以下的放大鏡分析斷口倍以下的放大鏡分析斷口q微觀分析微觀分析q光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口q金相組織、化學(xué)成分和機(jī)械性能的檢查金相組織、化學(xué)成分和機(jī)械性能的檢查第十一頁(yè)，共43頁(yè)。斷口斷口(dunku)的宏觀分析的宏觀分析q典型疲勞破壞斷口按照斷裂過程分典型疲勞破壞斷口按照斷裂過程分成三個(gè)區(qū)域。成三個(gè)區(qū)域。q疲勞源很小，宏觀上看不到，放大疲勞源很小，宏觀上看不到，放大500倍以上可以看出明顯倍以上可以看出明顯(mngxin)的疲勞裂紋，可以判的疲勞裂紋，可以判斷宏觀缺陷的性質(zhì)和事故發(fā)生的原斷宏觀缺陷的性質(zhì)和事故發(fā)生的原因。因。q疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)為細(xì)晶粒，深色、疲勞

11、裂紋擴(kuò)展區(qū)為細(xì)晶粒，深色、平滑、海灘狀。平滑、海灘狀。q快速斷裂區(qū)為粗晶粒，凹凸不平、快速斷裂區(qū)為粗晶粒，凹凸不平、白色、撕裂或臺(tái)階狀。白色、撕裂或臺(tái)階狀。第十二頁(yè)，共43頁(yè)。斷口的微觀斷口的微觀(wigun)分析分析q微觀分析的目的：了解金屬疲勞破壞過程的本質(zhì)微觀分析的目的：了解金屬疲勞破壞過程的本質(zhì)從金屬微從金屬微觀組織研究疲勞機(jī)理。觀組織研究疲勞機(jī)理。q疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的形成q（1）裂紋一般發(fā)生在表面。在應(yīng)力小于屈服）裂紋一般發(fā)生在表面。在應(yīng)力小于屈服(qf)極限時(shí)，極限時(shí)，疲勞試樣表面出現(xiàn)滑移帶疲勞試樣表面出現(xiàn)滑移帶-隨著隨著N增加，滑移線變粗變寬增加，滑移線變粗變寬-當(dāng)應(yīng)力大于

12、疲勞極限時(shí)，出現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力大于疲勞極限時(shí)，出現(xiàn)“駐留滑移線駐留滑移線”-形成微觀裂形成微觀裂紋。紋。q（2）結(jié)構(gòu)受交變載荷作用）結(jié)構(gòu)受交變載荷作用-試件擠出擠入試件擠出擠入-擠出滑移再嚴(yán)重?cái)D出滑移再嚴(yán)重-金屬內(nèi)部產(chǎn)生孔洞金屬內(nèi)部產(chǎn)生孔洞-出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)裂紋。q（3）塑性變形積累）塑性變形積累-出現(xiàn)錯(cuò)位（晶體中的特殊缺陷）出現(xiàn)錯(cuò)位（晶體中的特殊缺陷）-出現(xiàn)出現(xiàn)疲勞裂紋。疲勞裂紋。q（4）表面缺陷（氣孔、夾渣、第）表面缺陷（氣孔、夾渣、第2相質(zhì)點(diǎn)）相質(zhì)點(diǎn)）-存在尖銳缺口存在尖銳缺口-疲勞裂紋產(chǎn)生。疲勞裂紋產(chǎn)生。第十三頁(yè)，共43頁(yè)。q疲勞裂紋的形貌疲勞裂紋的形貌q第第1階段疲勞裂紋擴(kuò)展，斷口光滑，具有一

13、定的結(jié)晶性質(zhì)，無(wú)其階段疲勞裂紋擴(kuò)展，斷口光滑，具有一定的結(jié)晶性質(zhì)，無(wú)其他明顯特征。他明顯特征。q第第2階段疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有階段疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有4個(gè)特征：個(gè)特征：q（1）疲勞區(qū)宏觀上平坦）疲勞區(qū)宏觀上平坦(pngtn)光滑，微觀上仍凹凸不平。光滑，微觀上仍凹凸不平。每個(gè)斷口由若干凹凸不平的小片段連接而成，小片段結(jié)合處形成每個(gè)斷口由若干凹凸不平的小片段連接而成，小片段結(jié)合處形成臺(tái)階。臺(tái)階。q（2）具有疲勞條紋。包括塑性疲勞條紋（常見）和脆性疲勞條）具有疲勞條紋。包括塑性疲勞條紋（常見）和脆性疲勞條紋（較少）。紋（較少）。q（3）輪胎壓痕和脊骨壓痕特征。由于相匹配斷口的反復(fù)擠壓、）輪胎壓痕和脊骨壓痕

14、特征。由于相匹配斷口的反復(fù)擠壓、相互嵌入與脫離造成的。相互嵌入與脫離造成的。q（4）在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，還可能出現(xiàn)二次裂紋，往往成掃帚狀。）在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，還可能出現(xiàn)二次裂紋，往往成掃帚狀。第十四頁(yè)，共43頁(yè)。構(gòu)件斷口構(gòu)件斷口(dunku)分析分析q現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查q檢查工作條件、運(yùn)行情況檢查工作條件、運(yùn)行情況(qngkung)、周圍環(huán)境、周圍環(huán)境等等q收集碎片，保護(hù)斷口收集碎片，保護(hù)斷口q了解破裂部分的材料、牌號(hào)、加工工藝了解破裂部分的材料、牌號(hào)、加工工藝q斷口宏觀分析斷口宏觀分析q凈化、清洗斷口，分析斷口形貌，找到裂紋源，初凈化、清洗斷口，分析斷口形貌，找到裂紋源，初步分析破壞原因步分析破

15、壞原因q斷口微觀分析斷口微觀分析第十五頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.4 疲勞疲勞(plo)試驗(yàn)試樣及其制備試驗(yàn)試樣及其制備q試樣類型試樣類型(P1619)q彎曲試樣彎曲試樣q軸向加載試樣軸向加載試樣q扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)(nizhun)試樣試樣q試樣制備（試樣制備（P1921）q取樣取樣/機(jī)械加工機(jī)械加工/熱處理熱處理/測(cè)量、探傷與存儲(chǔ)測(cè)量、探傷與存儲(chǔ)第十六頁(yè)，共43頁(yè)。西南交通大學(xué)電子講義2.5 材料(cilio)的S-N曲線第十七頁(yè)，共43頁(yè)。循環(huán)循環(huán)(xnhun)應(yīng)力應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力恒幅循環(huán)應(yīng)力恒幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力對(duì)

16、稱循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力第十八頁(yè)，共43頁(yè)。最小應(yīng)力最大應(yīng)力應(yīng)力幅平均應(yīng)力minmaxam)1/()1 ()1/()1 (/maxminAARRRAARma二者的關(guān)系：載荷可變系數(shù)：應(yīng)力循環(huán)特征：應(yīng)力循環(huán)(xnhun)特征的表示應(yīng)力(yngl)循環(huán)基本參數(shù)典型的應(yīng)力(yngl)循環(huán)特征r = -1對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力第十九頁(yè)，共43頁(yè)。材料材料(cilio)的的S-N曲線曲線q反映材料基本疲勞強(qiáng)度特性的曲線為S-N曲線 ，用于估算疲勞壽命(shumng)和進(jìn)行疲勞

17、設(shè)計(jì)。qS-N曲線是用標(biāo)準(zhǔn)小試樣在疲勞試驗(yàn)機(jī)上得到的。q定義：表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命(shumng)之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線，簡(jiǎn)稱為：S-N曲線.q這種曲線通常都是表示中值疲勞壽命(shumng)與外加應(yīng)力間的關(guān)系,所以也叫中值S-N曲線,又稱為沃勒曲線.SN曲線第二十頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線曲線(qxin)的繪制的繪制qS-N曲線繪制曲線繪制q標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn)試件(812件件)q標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)(拉壓拉壓扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)彎彎曲等試驗(yàn)機(jī)曲等試驗(yàn)機(jī))q一定的平均應(yīng)力一定的平均應(yīng)力 ,施加不施加不同同(b tn)的應(yīng)力幅的應(yīng)力幅,測(cè)出測(cè)出試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)Nq以

18、以 (或或 )為縱坐標(biāo)為縱坐標(biāo),N為橫坐標(biāo)為橫坐標(biāo),描點(diǎn)、連線描點(diǎn)、連線,得到得到相當(dāng)于相當(dāng)于 (或或R)下的下的S-N曲曲線線mq對(duì)任何一條S-N曲線(qxin),應(yīng)明確以下內(nèi)容:q材料牌號(hào);種類(棒材板材);循環(huán)比R;有無(wú)應(yīng)力集中,Kt值;試驗(yàn)機(jī)加載頻率環(huán)境.q坐標(biāo)系.橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)壽命;縱坐標(biāo)為應(yīng)力,對(duì)數(shù)坐標(biāo)或笛卡兒坐標(biāo).q試驗(yàn)點(diǎn).分布在曲線(qxin)兩側(cè),一般用50%的中值壽命S-N曲線(qxin).mmaxam第二十一頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線的形狀曲線的形狀當(dāng)當(dāng)N較大時(shí)較大時(shí),S-N曲線近似為水平直線曲線近似為水平直線,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限 (一般鋼材及鈦合金一般

19、鋼材及鈦合金),圖圖2-18a.對(duì)鋁合金及有色金屬對(duì)鋁合金及有色金屬,當(dāng)當(dāng)N達(dá)到達(dá)到107時(shí)仍有下降時(shí)仍有下降(xijing)趨勢(shì)趨勢(shì),一一般規(guī)定較高的循環(huán)次數(shù)般規(guī)定較高的循環(huán)次數(shù),如如2*107對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限,圖圖2-18b.1第二十二頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線的簡(jiǎn)化曲線的簡(jiǎn)化一般簡(jiǎn)化為兩條直線一般簡(jiǎn)化為兩條直線(zhxin)：左支左支在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般是直在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般是直線線(zhxin)；在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般不為在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般不為直線直線(zhxin)。但因直。但因直線線(zhxin)使用方便，使用方便，一般將其簡(jiǎn)化為直線一般將其簡(jiǎn)化為直線(zhxin)。

20、右支右支水平直線水平直線(zhxin)或斜直或斜直線線(zhxin)S-N曲線的特殊形狀斷開(dun ki)由于裂紋尖端由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)。（c圖）轉(zhuǎn)折由穿晶破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg破壞。（d圖）第二十三頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線曲線(qxin)的表達(dá)的表達(dá)式式左支，左支，N=104106冪函數(shù)公式冪函數(shù)公式整條整條S-N曲線曲線(qxin)CNmCNmlglglg,得：兩邊取對(duì)數(shù)其中：m，c為材料(cilio)常數(shù)為材料的疲勞極限。為材料常數(shù)；、曲線的負(fù)斜率；為式中當(dāng)AKCBNSmANNCAKABNm1,)1 ()(第二十四頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線對(duì)應(yīng)的疲勞破壞曲線對(duì)應(yīng)的疲勞破壞(phui

21、)階段階段低周循環(huán)疲勞段（低周循環(huán)疲勞段（LCF）N107第二十五頁(yè)，共43頁(yè)。S-N曲線曲線(qxin)的測(cè)定方法（左支）的測(cè)定方法（左支）q單點(diǎn)法單點(diǎn)法q在一個(gè)在一個(gè)(y )應(yīng)力水平下只測(cè)一根式樣，然后將測(cè)得的點(diǎn)連成應(yīng)力水平下只測(cè)一根式樣，然后將測(cè)得的點(diǎn)連成一條光滑的曲線，得到一條光滑的曲線，得到S-N曲線。曲線。q精確度差，一般只用來測(cè)定疲勞極限。精確度差，一般只用來測(cè)定疲勞極限。q成組法成組法q應(yīng)力水平取應(yīng)力水平取46級(jí)，一般在級(jí)，一般在0.6 與與 之間選取之間選取q每一級(jí)應(yīng)力水平下，用每一級(jí)應(yīng)力水平下，用48根試樣。根試樣。q數(shù)據(jù)處理方法（用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行）數(shù)據(jù)處理方法（用數(shù)理

22、統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行）q繪制曲線的方法繪制曲線的方法q逐點(diǎn)描跡法逐點(diǎn)描跡法q直線擬合法直線擬合法11b第二十六頁(yè)，共43頁(yè)。西南交通大學(xué)電子講義2.6 材料(cilio)的疲勞極限第二十七頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 一一. 材料材料(cilio)疲勞極限的定義疲勞極限的定義q疲勞極限疲勞極限q疲勞極限是疲勞壽命無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。疲勞極限是疲勞壽命無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。qS-N曲線水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。在此應(yīng)力下，曲線水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。在此應(yīng)力下，試樣可以承受無(wú)限試樣可以承受無(wú)限(wxin)次循環(huán)而永不破壞。結(jié)構(gòu)鋼次循環(huán)而永不破壞。結(jié)構(gòu)鋼S-N

23、曲線的轉(zhuǎn)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)一般在折點(diǎn)一般在107以前，因此只要經(jīng)過以前，因此只要經(jīng)過107次循環(huán)而不破壞，就可認(rèn)為次循環(huán)而不破壞，就可認(rèn)為試樣可以承受無(wú)限試樣可以承受無(wú)限(wxin)次循環(huán)而不破壞。次循環(huán)而不破壞。q條件疲勞極限條件疲勞極限q在在S-N曲線上，與非水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。曲線上，與非水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。q對(duì)有色金屬和腐蝕疲勞，對(duì)有色金屬和腐蝕疲勞，S-N曲線沒有水平段，不存在真正的疲勞極曲線沒有水平段，不存在真正的疲勞極限。限。q該類材料在經(jīng)過該類材料在經(jīng)過107108次循環(huán)后，次循環(huán)后，S-N曲線趨于平坦，一般就以曲線趨于平坦，一般就以107或或108次循環(huán)失效時(shí)的最大應(yīng)力作為條件

24、疲勞極限。次循環(huán)失效時(shí)的最大應(yīng)力作為條件疲勞極限。q疲勞極限的表示方法疲勞極限的表示方法q對(duì)稱彎曲疲勞極限：對(duì)稱彎曲疲勞極限：-1；對(duì)稱拉壓疲勞極限：；對(duì)稱拉壓疲勞極限： -1t；對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞；對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限：極限：t-1q其中下標(biāo)其中下標(biāo)“-1”表示應(yīng)力比表示應(yīng)力比R=-1 q因?qū)ΨQ彎曲實(shí)驗(yàn)最方便，一般以對(duì)稱彎曲疲勞極限來表示材料的基本因?qū)ΨQ彎曲實(shí)驗(yàn)最方便，一般以對(duì)稱彎曲疲勞極限來表示材料的基本疲勞性能。疲勞性能。q對(duì)稱彎曲疲勞極限一般與旋轉(zhuǎn)彎曲下的疲勞極限接近，一般不加區(qū)別。對(duì)稱彎曲疲勞極限一般與旋轉(zhuǎn)彎曲下的疲勞極限接近，一般不加區(qū)別。第二十八頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 二二.

25、 材料材料(cilio)疲勞極限的測(cè)定方法疲勞極限的測(cè)定方法q材料的對(duì)稱彎曲疲勞極限材料的對(duì)稱彎曲疲勞極限-1一般用一般用610的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)試樣，由旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)得到。試樣，由旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)得到。q鋼件一般進(jìn)行鋼件一般進(jìn)行107次循環(huán)次循環(huán); 有色金屬進(jìn)行有色金屬進(jìn)行107或或108次循環(huán)。次循環(huán)。q觀測(cè)疲勞極限的方法：觀測(cè)疲勞極限的方法：q常規(guī)（單點(diǎn)）法常規(guī)（單點(diǎn)）法q成組試驗(yàn)法成組試驗(yàn)法q升降法（小子樣升降法）升降法（小子樣升降法）q升降法（大子樣升降法）升降法（大子樣升降法）q步進(jìn)法步進(jìn)法第二十九頁(yè)，共43頁(yè)。常規(guī)常規(guī)(chnggu)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法（單點(diǎn)）試驗(yàn)法q在每

26、個(gè)應(yīng)力水平下只試驗(yàn)一個(gè)試樣。（試樣有限，任務(wù)緊迫在每個(gè)應(yīng)力水平下只試驗(yàn)一個(gè)試樣。（試樣有限，任務(wù)緊迫(jnp)、節(jié)省經(jīng)費(fèi)）、節(jié)省經(jīng)費(fèi)）q常規(guī)疲勞試驗(yàn)一般準(zhǔn)備常規(guī)疲勞試驗(yàn)一般準(zhǔn)備10根試樣根試樣(1根作靜態(tài)試驗(yàn)、根作靜態(tài)試驗(yàn)、78根作疲勞試驗(yàn)、其余作為備品根作疲勞試驗(yàn)、其余作為備品)。q試驗(yàn)中需要將應(yīng)力水平分級(jí)（試驗(yàn)中需要將應(yīng)力水平分級(jí)（7級(jí)以上）級(jí)以上）q施加不同的載荷，得到不同類型的施加不同的載荷，得到不同類型的S-N曲線。（彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓）曲線。（彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓）q例：彎曲載荷下常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法的試驗(yàn)步驟：例：彎曲載荷下常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法的試驗(yàn)步驟：q根據(jù)材料的強(qiáng)度極限根據(jù)材料的強(qiáng)度

27、極限sb估算一個(gè)近似的材料疲勞極限估算一個(gè)近似的材料疲勞極限-1 = 0.44bq從比估算的疲勞極限從比估算的疲勞極限s-1高一定的百分?jǐn)?shù)開始，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。高一定的百分?jǐn)?shù)開始，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。q如對(duì)如對(duì)b800MPa的鋼材，第一根試樣取的鋼材，第一根試樣取1=1.2-1 = 0.52bq其中其中1中的下標(biāo)中的下標(biāo)1表示第表示第1根式樣，其余類推根式樣，其余類推q根據(jù)前一根試樣的疲勞壽命，逐步改變應(yīng)力做下一根試樣的試驗(yàn)根據(jù)前一根試樣的疲勞壽命，逐步改變應(yīng)力做下一根試樣的試驗(yàn)q繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到有一根試樣試驗(yàn)到試驗(yàn)基數(shù)后不發(fā)生斷裂為止，則不斷裂試樣與相繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到有一根試樣試驗(yàn)到試驗(yàn)基數(shù)后不

28、發(fā)生斷裂為止，則不斷裂試樣與相臨斷裂試樣的平均值為疲勞極限臨斷裂試樣的平均值為疲勞極限q疲勞極限與應(yīng)力極差的選擇關(guān)系疲勞極限與應(yīng)力極差的選擇關(guān)系q-1 =100MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差=3MPa）; 100MPa -1 =200MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差=5MPa）; 200MPa -1 =400MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差400MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差15MPa）;第三十頁(yè)，共43頁(yè)。成組試驗(yàn)成組試驗(yàn)(shyn)法法q疲勞壽命離散性大，常規(guī)（單點(diǎn)）法測(cè)定疲勞壽命離散性大，常規(guī)（單點(diǎn)）法測(cè)定S-N曲線精度差。曲線精度差。q對(duì)于疲勞可靠性設(shè)計(jì)，需要給定對(duì)于疲勞可靠性設(shè)計(jì)，需要給定(i dn)P

29、-S-N曲線，在壽命曲線，在壽命小于小于107時(shí)，需要進(jìn)行成組試驗(yàn)（即在每個(gè)應(yīng)力水平上用一組試時(shí)，需要進(jìn)行成組試驗(yàn)（即在每個(gè)應(yīng)力水平上用一組試樣）樣）q子樣容量的選擇與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理（參考相關(guān)書籍）子樣容量的選擇與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理（參考相關(guān)書籍）第三十一頁(yè)，共43頁(yè)。小子小子(xioz)樣升降法樣升降法q由于疲勞性能的分散性，用常規(guī)試驗(yàn)法測(cè)出的疲勞極限值不精由于疲勞性能的分散性，用常規(guī)試驗(yàn)法測(cè)出的疲勞極限值不精確，要想精確確定疲勞極限，必須使用升降法。其中小子樣升確，要想精確確定疲勞極限，必須使用升降法。其中小子樣升降法比大子樣升降法經(jīng)濟(jì)，其試驗(yàn)步驟如下：降法比大子樣升降法經(jīng)濟(jì)，其試驗(yàn)步驟如下：

30、q估算疲勞極限估算疲勞極限-1 （ -1 = 0.5sb），并估算應(yīng)力極差），并估算應(yīng)力極差-1 （ -1 = 4%6%-1）q第一個(gè)試樣在略高于第一個(gè)試樣在略高于-1應(yīng)力下試驗(yàn)。應(yīng)力下試驗(yàn)。q若在循環(huán)基數(shù)若在循環(huán)基數(shù)N0前破壞，下一根試樣的試驗(yàn)降低前破壞，下一根試樣的試驗(yàn)降低(jingd)一一個(gè)極差；個(gè)極差；q若在循環(huán)基數(shù)若在循環(huán)基數(shù)N0后破壞，下一根試樣的試驗(yàn)增加一個(gè)極差；后破壞，下一根試樣的試驗(yàn)增加一個(gè)極差；q由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到升降圖由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到升降圖q進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 找對(duì)子，每?jī)蓚€(gè)升、降點(diǎn)配為一對(duì)，出現(xiàn)第一對(duì)趨勢(shì)相反的結(jié)果時(shí)，前面的數(shù)據(jù)舍棄(sh q)。 將所有對(duì)子的數(shù)據(jù)和未被

31、舍棄(sh q)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為疲勞極限的精確值。 其中，第一對(duì)數(shù)據(jù)的平均值就是常規(guī)疲勞試驗(yàn)法的疲勞極限值，如（3和4點(diǎn)）。第三十二頁(yè)，共43頁(yè)。大子樣升降大子樣升降(shngjing)法法q大子樣升降法的試驗(yàn)方法與小子樣升降法完全相同，差別在于數(shù)據(jù)處理，大子樣升降法的試驗(yàn)方法與小子樣升降法完全相同，差別在于數(shù)據(jù)處理，大子樣法不要求配成對(duì)子。采用大子樣法不要求配成對(duì)子。采用(ciyng)如下的公式進(jìn)行處理：如下的公式進(jìn)行處理：)029. 0(620. 1)21(220FAFBsFAjjjfjBfjAfF2,s為疲勞極限的平均值；s為疲勞極限的標(biāo)準(zhǔn)差；s0為最低試驗(yàn)應(yīng)力(yngl)水平（未破

32、壞試樣小于破壞試樣數(shù)）；s0為最低破壞應(yīng)力(yngl)水平（未破壞試樣大于破壞試樣數(shù)）；s為應(yīng)力(yngl)極差；j為應(yīng)力(yngl)水平序號(hào)；fj為第j級(jí)應(yīng)力(yngl)水平下的最少試樣件數(shù)。（大子樣升降法的試樣件數(shù)不應(yīng)少于30）第三十三頁(yè)，共43頁(yè)。步進(jìn)法步進(jìn)法q步進(jìn)法是一種改進(jìn)的升降法。（庫(kù)德里亞采夫提出）步進(jìn)法是一種改進(jìn)的升降法。（庫(kù)德里亞采夫提出）q試樣數(shù)為升降法的一半，但試驗(yàn)時(shí)間比升降法長(zhǎng)試樣數(shù)為升降法的一半，但試驗(yàn)時(shí)間比升降法長(zhǎng)q適用于試樣數(shù)量不足或特別昂貴的大型試件，但只適用于低于疲勞極限適用于試樣數(shù)量不足或特別昂貴的大型試件，但只適用于低于疲勞極限的應(yīng)力下，不產(chǎn)生斷裂和損傷的

33、應(yīng)力下，不產(chǎn)生斷裂和損傷(snshng)的材料。的材料。q試樣數(shù)要求試樣數(shù)要求3件以上件以上q試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)步驟：q第一根試樣在略低于疲勞極限估計(jì)值的應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，如果達(dá)到預(yù)定第一根試樣在略低于疲勞極限估計(jì)值的應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，如果達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)基數(shù)后不破壞，則提高一個(gè)應(yīng)力極差（的試驗(yàn)基數(shù)后不破壞，則提高一個(gè)應(yīng)力極差（=10MPa）繼續(xù)進(jìn)行；）繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)基數(shù)后仍不破壞，則再提高一個(gè)應(yīng)力極差繼續(xù)試驗(yàn)；按此規(guī)當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)基數(shù)后仍不破壞，則再提高一個(gè)應(yīng)力極差繼續(xù)試驗(yàn)；按此規(guī)則進(jìn)行直到試件破壞。則進(jìn)行直到試件破壞。q第二根試樣按上述方法逐級(jí)提高應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，但第一級(jí)應(yīng)力要比第一第二根試樣按上述

34、方法逐級(jí)提高應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，但第一級(jí)應(yīng)力要比第一根試樣的破壞應(yīng)力低一級(jí)。根試樣的破壞應(yīng)力低一級(jí)。q以后的試樣，都在比前幾根試樣的最低破壞應(yīng)力低一級(jí)的應(yīng)力水平下開以后的試樣，都在比前幾根試樣的最低破壞應(yīng)力低一級(jí)的應(yīng)力水平下開始試驗(yàn)，再按前面的方法逐級(jí)提高應(yīng)力直到試樣破壞。始試驗(yàn)，再按前面的方法逐級(jí)提高應(yīng)力直到試樣破壞。第三十四頁(yè)，共43頁(yè)。三三. 材料材料(cilio)疲勞極限與強(qiáng)度極限及其他機(jī)械性能疲勞極限與強(qiáng)度極限及其他機(jī)械性能的關(guān)系的關(guān)系q在常溫在常溫(chngwn)和空氣介質(zhì)下，材料的疲勞極限與強(qiáng)度極限之間有和空氣介質(zhì)下，材料的疲勞極限與強(qiáng)度極限之間有比較好的相關(guān)性，因此在沒有現(xiàn)成試驗(yàn)數(shù)據(jù)

35、和沒有條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可比較好的相關(guān)性，因此在沒有現(xiàn)成試驗(yàn)數(shù)據(jù)和沒有條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以用近似方法估算材料的疲勞極限。以用近似方法估算材料的疲勞極限。q碳鋼與合金鋼的對(duì)稱彎曲疲勞極限，可以表示成如下公式碳鋼與合金鋼的對(duì)稱彎曲疲勞極限，可以表示成如下公式bba1v 部分代表性的經(jīng)驗(yàn)公式(gngsh)v 前蘇聯(lián)學(xué)者茹科夫的經(jīng)驗(yàn)公式(gngsh)：當(dāng)sb1400MPa的碳鋼、合金鋼：v 上海材料研究所的經(jīng)驗(yàn)公式(gngsh)：bb46. 043. 03811或038. 0/44. 011bbS或圓柱形光滑試樣053.0/52.011bbS或漏斗形試樣稱為子樣的標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)差為式中，11/1/SSbb

36、bb48. 034. 011鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵第三十五頁(yè)，共43頁(yè)。q對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限與對(duì)稱彎曲疲勞極限之間存在穩(wěn)定的比例關(guān)系。（茹科夫）對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限與對(duì)稱彎曲疲勞極限之間存在穩(wěn)定的比例關(guān)系。（茹科夫）q對(duì)于碳鋼與合金鋼，當(dāng)對(duì)于碳鋼與合金鋼，當(dāng)b1200MPa時(shí)，有時(shí)，有q美國(guó)美國(guó)現(xiàn)代疲勞分析基礎(chǔ)現(xiàn)代疲勞分析基礎(chǔ)推薦的結(jié)果推薦的結(jié)果(ji gu)q對(duì)于布氏硬度對(duì)于布氏硬度HB500的黑色金屬，有的黑色金屬，有q對(duì)高強(qiáng)度鋼，有對(duì)高強(qiáng)度鋼，有q其他還有大量的參考結(jié)論（略）其他還有大量的參考結(jié)論（略）bb48. 034. 011鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵1158. 05 . 0/1b

37、3/1/1b第三十六頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.7 疲勞疲勞(plo)壽命的正態(tài)分布?jí)勖恼龖B(tài)分布第三十七頁(yè)，共43頁(yè)。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.8 材料材料(cilio)的的P-S-N曲線曲線qP-S-N曲線的定義曲線的定義q將各級(jí)應(yīng)力將各級(jí)應(yīng)力(yngl)水平下疲勞壽命分布曲線上可靠度相等的點(diǎn)用水平下疲勞壽命分布曲線上可靠度相等的點(diǎn)用曲線連接，得到給定可靠度的一組曲線連接，得到給定可靠度的一組S-N曲線，稱為曲線，稱為P-S-N曲線。曲線。圖中每一條曲線代表某一可靠(kko)度下的應(yīng)力-壽命關(guān)系：AB為中值壽命（可靠(kko)度50%），即常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)中給出的S-N曲線CD

38、是可靠(kko)度為99.9%的P-S-N曲線，使用期內(nèi)零件不發(fā)生破壞的概率為99.9%。GH是可靠(kko)度為90%的P-S-N曲線EF是可靠(kko)度為1%的P-S-N曲線，不能用于疲勞設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)可靠(kko)性和經(jīng)濟(jì)性的要求來選擇所采用的曲線。一般情況下采用S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。P-S-N曲線代表了更全面的應(yīng)力壽命關(guān)系，比S-N曲線有更廣泛的用途。第三十八頁(yè)，共43頁(yè)。qP-S-N曲線的測(cè)定方法曲線的測(cè)定方法qP-S-N曲線的測(cè)定可采用單點(diǎn)法和成組法。與成組曲線的測(cè)定可采用單點(diǎn)法和成組法。與成組法測(cè)定法測(cè)定S-N曲線相同，一般選取曲線相同，一般選取45級(jí)應(yīng)力級(jí)應(yīng)力(yngl)水平

39、，每種應(yīng)力水平，每種應(yīng)力(yngl)水平下試驗(yàn)一組試樣（不水平下試驗(yàn)一組試樣（不少于少于6個(gè)）個(gè)）q用成組法測(cè)定材料的用成組法測(cè)定材料的P-S-N曲線的步驟曲線的步驟q準(zhǔn)備若干根標(biāo)準(zhǔn)試件（準(zhǔn)備若干根標(biāo)準(zhǔn)試件（30根左右）根左右）q確定試驗(yàn)應(yīng)力確定試驗(yàn)應(yīng)力(yngl)水平（水平（45級(jí)）級(jí)）q確定每一應(yīng)力確定每一應(yīng)力(yngl)水平上的試件數(shù)（水平上的試件數(shù)（68件）件）q進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)q數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理q求求q分析有無(wú)異常件，若有，將其剔除分析有無(wú)異常件，若有，將其剔除q分析試件數(shù)據(jù)是否足夠分析試件數(shù)據(jù)是否足夠q分析數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布分析數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布q畫出畫出P-S-N曲線曲線q求求P值下值下xp，建立方程式并檢查直線的相關(guān)系數(shù)，建立方程式并檢查直線的相關(guān)系數(shù)vsx,第三十九頁(yè)，共43頁(yè)。P-S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法(fngf)（實(shí)例）（實(shí)例）（1）列表）列表將各級(jí)應(yīng)力將各級(jí)應(yīng)力(yngl)