第14章材料的疲劳与断裂(2006版).

第14章（目录）材料力学§14.1概述*§14.2固体材料的理论断裂强度和应力判据*第十四章材料的疲劳与断裂§14.3材料的疲劳破坏特征及机理§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定§14.5构件的疲劳极限§14.6基于疲劳极限的无限寿命设计法第十四章材料的疲劳与断裂§14.3材料的疲劳破坏特征及机理（目录）§14.3材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳的概念二、疲劳破坏的实例三、疲劳破坏的机理四、交变应力的种类§14.3材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳的概念轮轴表面A点的正应力式中称为应力幅FFAIyMAtdIMsin2tsinaA3241d(t=0)ta1342aOtIMd2a交变应力——随时间作周期性变化的应力一、疲劳的概念§14.3材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳的概念疲劳失效——在交变应力作用下发生的突然断裂现象交变应力引起的破坏与静应力引起的破坏截然不同疲劳实践表明：一、疲劳的概念§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例40人死亡；14人受伤；直接经济损失631万元。1999年1月4日，我国重庆市綦（qi）江县彩虹桥发生垮塌，造成：二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例力学问题：大部队过桥时不能齐步走？人跑步时脚上的力量有多大？冲击载荷与跑步的次数的关系？损伤累积与结构寿命二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例人跑步时脚上的力量有多大？脚上的力量假设人体重量为750N3000N3500N4500N6000N12500N二、疲劳破坏的实例§14.3材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效的特点：2.即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性变形，呈脆性断裂破坏；1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然断裂；3.断口明显地分为光滑区和粗糙区。三、疲劳破坏的机理§14.3材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效过程：产生微观裂纹（称为疲劳源或裂纹源）；2.在微裂纹的尖端产生应力1.在足够大的交变应力作用下，构件内的最大应力作用处或缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，3.随着交变应力继续作用，裂纹源光滑区粗糙区..............裂纹尖端裂纹集中，在交变应力的作用下，微裂纹扩展，形成宏观裂纹；宏观裂纹扩展，最终构件断裂。三、疲劳破坏的机理§14.3材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效实质：疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在名义应力低于抗拉强度（甚至低于屈服应力）的情况下，会突然发生断裂。由于材料中裂纹的形成和扩展的结果已有资料表明：承受交变应力构件的失效（如飞机、火车和机器）绝大部分是疲劳失效。三、疲劳破坏的机理§14.3材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化j——梁在静平衡位置时的应力max——梁在最大位移时的应力tPF静平衡位置最大位移位置最小位移位置maxminOt一个周期jmaamin——梁在最小位移时的应力四、交变应力的种类§14.3材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类一个应力循环——重复变化一次的过程循环次数——应力重复变化的次数周期——完成一个应力循环所需要的时间四、交变应力的种类tPF静平衡位置最大位移位置最小位移位置maxminOt一个周期jmaa强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化§14.3材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类交变应力的循环特征（应力比）：应力循环中的平均应力应力循环中的应力幅maxminr2minmaxm2minmaxa四、交变应力的种类maxminOt一个周期jmaa§14.3材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类2.非对称循环即：1.对称循环maxminOtminmax0mmaxa1rammaxamminmaxminOtmaa非对称循环=平均应力+对称循环四、交变应力的种类应力循环种类：§14.3材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类应力循环种类：或4.静应力——交变应力的特例3.脉冲循环0min0maxrmaxmOtaa2maxmaminmOtaa2minmamOtmminmax1r0a脉冲循环和静应力为非对称循环0r四、交变应力的种类第十四章材料的疲劳与断裂§14.4S—N曲线及疲劳极限的测定（目录）§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标二、疲劳极限的测定方法§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标在交变应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力时就可能发生疲劳失效，因此，屈服应力或抗拉强度不能作为疲劳强度指标。材料的疲劳强度指标必须由疲劳强度试验测定一、疲劳的强度指标§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标试验表明：在某一循环特性下，若最大应力不超过某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而不发生疲劳。通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r时的疲劳极限（持久极限），用表示r。疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标疲劳极限与循环特性有关对称循环时的疲劳极限最小对称循环是交变应力中的最危险情况一、疲劳的强度指标§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定：2.第一根试样承受max0.7b；通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1测定步骤：1.准备6~10个d=7~10mm光滑小试样；3.逐步减小max，直到循环次数很大时，得到-1=max。二、疲劳极限的测定方法§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法F522431Fa/21．试样2．夹头3．计数器4．电机5．传动轴6．重物+aa6二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定：通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法以最大应力为纵坐标，循环次数(寿命)为横坐标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为应力—寿命曲线或S-N曲线。Nmaxmax1max21NN=1072NS-N曲线二、疲劳极限的测定方法§14.4S-N曲线及疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法常温试验结果表明：若钢材经过107次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。钢材的疲劳极限——经107次循环仍未发生疲劳的最大循环基数——N0=107循环次数应力二、疲劳极限的测定方法Nmaxmax1max21NN=1072NS-N曲线第十四章材料的疲劳与断裂§14.5构件的疲劳极限（目录）§14.5构件的疲劳极限一、构件外形的影响二、构件尺寸的影响三、构件表面质量的影响四、构件各种因素的影响§14.5构件的疲劳极限一、构件外形的影响一、构件外形的影响对称循环下，有效应力集中系数定义为拉压、弯曲：扭转：k1d1)()(kk1d1)()(k式中或——无应力集中的光滑试样的疲劳极限d1)(d1)(或——有应力集中且尺寸与光滑试样相同k1)(k1)(的试样的疲劳极限§14.5构件的疲劳极限二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响对称循环下，尺寸系数定义为拉压、弯曲：扭转：式中或——光滑大试样的疲劳极限d1)(d1)(1d1)(1d1)(或——光滑小试样的疲劳极限11§14.5构件的疲劳极限三、构件表面质量的影响三、构件表面质量的影响对称循环下，表面质量系数定义为式中——表面磨光试样的疲劳极限d1)(d11)()(——光滑小试样的疲劳极限)(1§14.5构件的疲劳极限四、构件各种因素的影响考虑上述各因素的影响，在对称循环下，构件的持久极限为拉压、弯曲：扭转：101k101k四、构件各种因素的影响第十四章材料的疲劳与断裂§14.6基于疲劳极限的无限寿命设计法（目录）§14.6基于疲劳极限的无限寿命设计法§14.6基于疲劳极限的无限寿命设计法一、定义对称循环下，构件的疲劳强度条件为式中][1max——许用应力n011][——构件的疲劳极限01n——安全因数材料力学结束课程全部结束了!