《材料力學(xué)》課件-第十章 疲勞強度的概念-2-4

構(gòu)件正常工作強度條件：塑性材料：脆性材料：n：安全因數(shù)在周期性應(yīng)力作用下，構(gòu)件會產(chǎn)生裂紋或完全斷裂，這種現(xiàn)象為“疲勞失效”。第10章疲勞強度的概念產(chǎn)生微裂紋——裂紋擴展——斷裂斷裂力學(xué)應(yīng)力循環(huán)：應(yīng)力每重復(fù)變化一次，稱為一個應(yīng)力循環(huán)。完成一個應(yīng)力循環(huán)所需的時間T

，稱為一個周期。一、交變應(yīng)力10.1交變應(yīng)力與疲勞失效交變應(yīng)力：在構(gòu)件內(nèi)隨時間作周期性變化的應(yīng)力。

疲勞與疲勞失效：結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱為疲勞失效，簡稱疲勞.1.對稱循環(huán)2.脈動循環(huán)3.靜載疲勞失效的特點構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下失效時，具有如下特征：1）破壞時的最大應(yīng)力值往往低于材料在靜載作用下的屈服應(yīng)力；2）構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)；3）構(gòu)件在破壞前沒有明顯的塑性變形預(yù)兆，即使塑性材料，也將呈現(xiàn)“突然”的脆性斷裂；4）金屬材料疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區(qū)域與顆粒區(qū)域。二、疲勞失效疲勞失效機理疲勞源裂紋擴展光滑區(qū)粗糙區(qū)脆斷金屬材料裂紋1979年，美國DE-10型飛機失事，死亡270人，原因螺旋槳轉(zhuǎn)軸發(fā)生疲勞破壞，該型號飛機停飛一年，全面檢修，是設(shè)計問題。疲勞破壞案例11981年初，歐洲北海油田“基爾蘭”號平臺覆滅，死亡123人，原因疲勞破壞，橫梁在海浪的交變應(yīng)力作用下，橫梁承孔邊裂縫，當(dāng)時大風(fēng)掀起7米巨浪，10105噸的浮臺沉沒于大海之中疲勞破壞案例21998年5月，德國高速列車出軌，原因列車大軸發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞案例3一、疲勞極限

10.2疲勞極限及影響疲勞極限的主要因素

疲勞極限（持久極限）—指對光滑小試件進(jìn)行交變應(yīng)力循環(huán)試驗，經(jīng)過無窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值的最高限值。用來表示，下標(biāo)r為對應(yīng)的循環(huán)特征。

試件分為若干組，最大應(yīng)力值由高到底，以電動機帶動試樣旋轉(zhuǎn)，讓每組試件經(jīng)歷對稱循環(huán)的交變應(yīng)力，直至斷裂破壞。

記錄每根試件中的最大應(yīng)力（名義應(yīng)力，即疲勞強度）及發(fā)生破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（又稱疲勞壽命），即可得S—N應(yīng)力壽命曲線。應(yīng)力—壽命曲線，也稱S—N曲線。S-N曲線為對稱循環(huán)時材料的疲勞極限材料的疲勞極限

有色金屬及其合金的應(yīng)力—壽命曲線無明顯趨于水平的直線部分。通常規(guī)定N0=(5~10)×107作為循環(huán)基數(shù)，所對應(yīng)的應(yīng)力為該材料的條件疲勞極限。材料的疲勞極限與強度極限的近似關(guān)系：彎曲：拉壓：扭轉(zhuǎn)：二、影響疲勞極限的主要因素

1.構(gòu)件外形的影響2.構(gòu)件尺寸的影響3.構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件外形的影響構(gòu)件外形的突變（槽、孔、缺口、軸肩等）引起應(yīng)力集中。應(yīng)力集中區(qū)易引發(fā)疲勞裂紋，使疲勞極限顯著降低。

用有效應(yīng)力集中因數(shù)或描述外形突變的影響：或其中：或是無應(yīng)力集中的光滑試件的疲勞極限，或是有外形突變試件的疲勞極限。且

越小，則有效應(yīng)力集中因數(shù)越大；材料的抗拉強度越高，應(yīng)力集中對疲勞極限的影響愈顯著。構(gòu)件尺寸的影響

構(gòu)件尺寸越大，疲勞極限越低。如受扭轉(zhuǎn)大、小二圓截面試件，如二者的最大剪應(yīng)力相同，則大試件橫截面上的高應(yīng)力區(qū)比小試件的大。即大試件中處于高應(yīng)力狀態(tài)的晶粒比小試件的多，故引發(fā)疲勞裂紋的機會也多。

用尺寸因數(shù)或表示?；蚱渲校簽楣饣≡嚰楣饣笤嚰?/p>

，d越大，越小，愈小。構(gòu)件表面質(zhì)量的影響

構(gòu)件上的最大應(yīng)力常發(fā)生于表層，疲勞裂紋也多生成于表層。故構(gòu)件表面的加工缺陷（劃痕、擦傷）等將引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限。

用表面質(zhì)量因數(shù)表示

其中：為表面磨光試件的疲勞極限為用其它方法加工的構(gòu)件疲勞極限

表面加工質(zhì)量愈低，愈小，降低愈多。

一般，但可通過對構(gòu)件表面作強化處理而得到大于1的值。

綜合上述三種因素，對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞極限為：或其中：，是光滑小試件的疲勞極限。10.3對稱循環(huán)下的疲勞強度計算

對稱循環(huán)交變應(yīng)力下，構(gòu)件的疲勞強度條件為：其中：

是構(gòu)件危險點的最大工作應(yīng)力；

nf是疲勞安全系數(shù)。

或表示成：同理，對扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力有：10.4提高構(gòu)件疲勞強度的措施

疲勞裂紋主要形成于構(gòu)件表面和應(yīng)力集中部位，故提高構(gòu)件疲勞極限的措施有：（1）減緩應(yīng)力集中，設(shè)計構(gòu)件外形時，避免出現(xiàn)方形或帶有尖角的孔和槽，在截面突變處采用足夠大的過