材料的疲勞與斷裂

材料的疲勞與斷裂第1頁，課件共35頁，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理（目錄）§14.3

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

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

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

材料的疲勞破壞特征及機理二、疲勞破壞的實例

40人死亡；

14人受傷；

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

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

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

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

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

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

材料的疲勞破壞特征及機理二、疲勞破壞的實例力學問題：

大部隊過橋時不能齊步走？人跑步時腳上的力量有多大？

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、疲勞破壞的實例第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

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

材料的疲勞破壞特征及機理三、疲勞破壞的機理疲勞失效的特點：

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)的最大應力小于屈服應力時，會發(fā)生突然

斷裂；

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

材料的疲勞破壞特征及機理三、疲勞破壞的機理疲勞失效過程：

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)生應力

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

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

觀裂紋；宏觀裂紋擴展，最終構(gòu)件

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

材料的疲勞破壞特征及機理三、疲勞破壞的機理疲勞失效實質(zhì)：疲勞失效是很危險的，因為構(gòu)件中的裂紋很小，不易發(fā)現(xiàn)，在名義應力低于抗拉強度（甚至低于屈服應力）的情況下，會突然發(fā)生斷裂。由于材料中裂紋的形成和擴展的結(jié)果已有資料表明：承受交變應力構(gòu)件的失效（如飛機、火車和機器）絕大部分是疲勞失效。三、疲勞破壞的機理第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月§14.3

材料的疲勞破壞特征及機理四、交變應力的種類強迫振動的梁，其任一點的應力隨時間周期變化j——梁在靜平衡位置時的應力max——梁在最大位移時的應力min

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

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

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

材料的疲勞破壞特征及機理四、交變應力的種類

2.非對稱循環(huán)即：

1.對稱循環(huán)非對稱循環(huán)=

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

材料的疲勞破壞特征及機理四、交變應力的種類應力循環(huán)種類：或

4.靜應力——交變應力的特例

3.脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)和靜應力為非對稱循環(huán)四、交變應力的種類第20頁，課件共35頁，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定（目錄）§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測定一、疲勞的強度指標二、疲勞極限的測定方法第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

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

S-N曲線及疲勞極限的測定一、疲勞的強度指標

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

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

疲勞極限是衡量材料疲勞失效的強度指標疲勞極限與循環(huán)特性有關(guān)對稱循環(huán)時的疲勞極限最小對稱循環(huán)是交變應力中的最危險情況一、疲勞的強度指標第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月§14.4

S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定：

2.第一根試樣承受max0.7b

；通常在純彎曲變形下測定對稱循環(huán)時的疲勞極限-1測定步驟：

1.準備6~10個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，得到

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

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

S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法

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

S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法常溫試驗結(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)

應力二、疲勞極限的測定方法第27頁，課件共35頁，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，課件共35頁，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)件外形的影響對稱循環(huán)下，有效應力集中系數(shù)定義為拉壓、彎曲：扭轉(zhuǎn)：式中

或

——無應力集中的光滑試樣的疲勞極限

或

——有應力集中且尺寸與光滑試樣相同

的試樣的疲勞極限第29頁，課件共35頁，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，課件共35頁，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，課件共35頁，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，課件共35頁，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