材料的疲勞與斷裂

材料的疲勞與斷裂第1頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第十四章材料的疲勞與斷裂§14.3材料的疲勞破壞特征及機(jī)理（目錄）§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理一、疲勞的概念二、疲勞破壞的實(shí)例三、疲勞破壞的機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類第2頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理一、疲勞的概念輪軸表面A點(diǎn)的正應(yīng)力式中稱為應(yīng)力幅交變應(yīng)力——隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力一、疲勞的概念第3頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理一、疲勞的概念疲勞失效——在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象交變應(yīng)力引起的破壞與靜應(yīng)力引起的破壞截然不同疲勞實(shí)踐表明：一、疲勞的概念第4頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例

40人死亡；

14人受傷；

直接經(jīng)濟(jì)損失631萬元。1999年1月4日，我國(guó)重慶市綦（qi）江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，造成：二、疲勞破壞的實(shí)例第5頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例二、疲勞破壞的實(shí)例第6頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例二、疲勞破壞的實(shí)例第7頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例二、疲勞破壞的實(shí)例第8頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例二、疲勞破壞的實(shí)例第9頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例二、疲勞破壞的實(shí)例第10頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例力學(xué)問題：

大部隊(duì)過橋時(shí)不能齊步走？人跑步時(shí)腳上的力量有多大？

沖擊載荷與跑步的次數(shù)的關(guān)系？

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命二、疲勞破壞的實(shí)例第11頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理二、疲勞破壞的實(shí)例人跑步時(shí)腳上的力量有多大？腳上的力量假設(shè)人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N二、疲勞破壞的實(shí)例第12頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理三、疲勞破壞的機(jī)理疲勞失效的特點(diǎn)：

2.即使塑性較好的材料，斷裂前也沒有明顯的塑性

變形，呈脆性斷裂破壞；

1.構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生突然

斷裂；

3.斷口明顯地分為光滑區(qū)和粗糙區(qū)。三、疲勞破壞的機(jī)理第13頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理三、疲勞破壞的機(jī)理疲勞失效過程：

產(chǎn)生微觀裂紋（稱為疲勞源或裂紋源）；

2.在微裂紋的尖端產(chǎn)生應(yīng)力

1.在足夠大的交變應(yīng)力作用下，構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力作用處或缺陷處，沿最大切應(yīng)力作用面形成滑移帶，

3.隨著交變應(yīng)力繼續(xù)作用，集中，在交變應(yīng)力的作用下，微裂紋擴(kuò)展，形成宏

觀裂紋；宏觀裂紋擴(kuò)展，最終構(gòu)件

斷裂。三、疲勞破壞的機(jī)理第14頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理三、疲勞破壞的機(jī)理疲勞失效實(shí)質(zhì)：疲勞失效是很危險(xiǎn)的，因?yàn)闃?gòu)件中的裂紋很小，不易發(fā)現(xiàn)，在名義應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度（甚至低于屈服應(yīng)力）的情況下，會(huì)突然發(fā)生斷裂。由于材料中裂紋的形成和擴(kuò)展的結(jié)果已有資料表明：承受交變應(yīng)力構(gòu)件的失效（如飛機(jī)、火車和機(jī)器）絕大部分是疲勞失效。三、疲勞破壞的機(jī)理第15頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類強(qiáng)迫振動(dòng)的梁，其任一點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間周期變化j——梁在靜平衡位置時(shí)的應(yīng)力max——梁在最大位移時(shí)的應(yīng)力min

——梁在最小位移時(shí)的應(yīng)力四、交變應(yīng)力的種類第16頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類一個(gè)應(yīng)力循環(huán)——重復(fù)變化一次的過程循環(huán)次數(shù)——應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù)周期——完成一個(gè)應(yīng)力循環(huán)所需要的時(shí)間四、交變應(yīng)力的種類強(qiáng)迫振動(dòng)的梁，其任一點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間周期變化第17頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類交變應(yīng)力的循環(huán)特征（應(yīng)力比）：應(yīng)力循環(huán)中的平均應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力幅四、交變應(yīng)力的種類第18頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類

2.非對(duì)稱循環(huán)即：

1.對(duì)稱循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)=

平均應(yīng)力+對(duì)稱循環(huán)四、交變應(yīng)力的種類應(yīng)力循環(huán)種類：第19頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機(jī)理四、交變應(yīng)力的種類應(yīng)力循環(huán)種類：或

4.靜應(yīng)力——交變應(yīng)力的特例

3.脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)和靜應(yīng)力為非對(duì)稱循環(huán)四、交變應(yīng)力的種類第20頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第十四章材料的疲勞與斷裂§14.4S—N曲線及疲勞極限的測(cè)定（目錄）§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)二、疲勞極限的測(cè)定方法第21頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)在交變應(yīng)力作用下，構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)就可能發(fā)生疲勞失效，因此，屈服應(yīng)力或抗拉強(qiáng)度不能作為疲勞強(qiáng)度指標(biāo)。材料的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)必須由疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)第22頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)

試驗(yàn)表明：在某一循環(huán)特性下，若最大應(yīng)力不超過某一極限值，則材料可經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞。

通常將最大應(yīng)力的這一極限值稱為材料在循環(huán)特性r時(shí)的疲勞極限（持久極限），用表示r。

疲勞極限是衡量材料疲勞失效的強(qiáng)度指標(biāo)疲勞極限與循環(huán)特性有關(guān)對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限最小對(duì)稱循環(huán)是交變應(yīng)力中的最危險(xiǎn)情況一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)第23頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定二、疲勞極限的測(cè)定方法疲勞極限的測(cè)定：

2.第一根試樣承受max0.7b

；通常在純彎曲變形下測(cè)定對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限-1測(cè)定步驟：

1.準(zhǔn)備6~10個(gè)d=7~10mm光滑小試樣；

3.逐步減小max，直到循環(huán)次數(shù)很大時(shí)，得到

-1=max。二、疲勞極限的測(cè)定方法第24頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定二、疲勞極限的測(cè)定方法F522431Fa/21．試樣2．夾頭3．計(jì)數(shù)器4．電機(jī)5．傳動(dòng)軸6．重物+aa6二、疲勞極限的測(cè)定方法疲勞極限的測(cè)定：通常在純彎曲變形下測(cè)定對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限-1第25頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定二、疲勞極限的測(cè)定方法

以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)(壽命)為橫坐標(biāo)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，稱為應(yīng)力—壽命曲線或S-N曲線。二、疲勞極限的測(cè)定方法第26頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測(cè)定二、疲勞極限的測(cè)定方法常溫試驗(yàn)結(jié)果表明：

若鋼材經(jīng)過107次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不會(huì)疲勞。鋼材的疲勞極限——經(jīng)107次循環(huán)仍未發(fā)生疲勞的最大

循環(huán)基數(shù)——N0=107循環(huán)次數(shù)

應(yīng)力二、疲勞極限的測(cè)定方法第27頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第十四章材料的疲勞與斷裂§14.5構(gòu)件的疲勞極限（目錄）§14.5

構(gòu)件的疲勞極限一、構(gòu)件外形的影響二、構(gòu)件尺寸的影響三、構(gòu)件表面質(zhì)量的影響四、構(gòu)件各種因素的影響第28頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.5

構(gòu)件的疲勞極限一、構(gòu)件外形的影響一、構(gòu)件外形的影響對(duì)稱循環(huán)下，有效應(yīng)力集中系數(shù)定義為拉壓、彎曲：扭轉(zhuǎn)：式中

或

——無應(yīng)力集中的光滑試樣的疲勞極限

或

——有應(yīng)力集中且尺寸與光滑試樣相同

的試樣的疲勞極限第29頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.5

構(gòu)件的疲勞極限二、構(gòu)件尺寸的影響二、構(gòu)件尺寸的影響

對(duì)稱循環(huán)下，尺寸系數(shù)定義為拉壓、彎曲：扭轉(zhuǎn)：式中

或

——光滑大試樣的疲勞極限

或

——光滑小試樣的疲勞極限第30頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.5

構(gòu)件的疲勞極限三、構(gòu)件表面質(zhì)量的影響三、構(gòu)件表面質(zhì)量的影響

對(duì)稱循環(huán)下，表面質(zhì)量系數(shù)定義為式中

——表面磨光試樣的疲勞極限

——光滑小

試樣的疲勞極限第31頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§14.5

構(gòu)件的疲勞極限四、構(gòu)件各種因素的影響考慮上述各因素的影響，在對(duì)稱循環(huán)下，構(gòu)件的持久極限為拉壓、彎曲：扭轉(zhuǎn)：四、構(gòu)件各種因素的影響第32頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第十四章材料的疲勞與斷裂§14.6基于疲勞極限的無限壽命設(shè)