疲劳与断裂2PPT课件

1第二章应力疲劳2.1S-N曲线2.2平均应力的影响2.3影响疲劳性能的若干因素2.4缺口疲劳2.5变幅载荷谱下的疲劳寿命2.6随机谱与循环计数法返回主目录2应力疲劳:SmaxSy，Nf104，也称高周疲劳。应变疲劳:SmaxSy，Nf104，也称低周应变疲劳。应力水平（S）用R和Sa描述。寿命（N）为到破坏的循环次数。研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。脆性材料2.出现可见小裂纹,或可测的应变降。延性材料应力s应变eSyo第二章应力疲劳2.1S-N曲线3R=-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。基本S-N曲线：1.一般形状及特性值用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度。S103104105106107NfSN疲劳强度(fatiguestrength)SN：4“无穷大”一般被定义为：钢材，107次循环；焊接件，2×106次循环；有色金属，108次循环。S103104105106107NfSNSf疲劳极限(endurancelimit)Sf：寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。52.S-N曲线的数学表达1)幂函数式Sm.N=Cm与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。二边取对数，有:lgS=A+BlgNS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSf6考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N。2)指数式：ems.N=C二边取对数后成为：S=A+BlgN（半对数线性关系）最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于N103-104。S34567LgNSf3)三参数式(S-Sf)m.N=C73.S-N曲线的近似估计斜线OA+水平线ABR=-1，旋转弯曲时有：Sf(bending)=0.5Su(Su1400MPa)分散在(0.3-0.6)Su间Sf(bending)=700MPa(Su1400MPa)1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系500500100015002008000AB旋转弯曲疲劳极限SMPaf材料极限强度SMPauS/S=0.5fuS=700f常用金属材料数据图8轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su实验在(0.3-0.45)Su之间高强脆性材料，极限强度Su取为b；延性材料,Su取为ys。扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su实验在(0.25-0.3)Su之间注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的。9故由S-N曲线有：(0.9Su)m×103=(kSu)m×106=C参数为：m=3/lg(0.9/k)；C=(0.9Su)m×103假定1：寿命N=103时，有：S103=0.9Su；高周疲劳：N103。已知Sf和Su,S-N曲线用Sm.N=C表达。假定2：寿命N=106时，S106=Sf=kSu,如弯曲时，k=0.5。2)无实验数据时S-N曲线的估计(供初步设计参考)LgS34567LgN120SuSf10StR=-1R=-1/3R=0SmR，Sm；且有：Sm=(1+R)Sa/(1-R)R的影响Sm的影响Sm0,对疲劳有不利的影响；Sm0,压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命。2.2平均应力的影响1)一般趋势Sa不变，RorSm；N；N不变，RorSm；SN;SNSm0Sm=0Sm0aR增大112）Sa-Sm关系SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-1101Sm/SuN=107Haigh图如图，在等寿命线上，Sm，Sa；SmSu。Haigh图:(无量纲形式)N=107,当Sm=0时，Sa=S-1；当Sa=0时，Sm=Su。GerberGoodman对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(R=-1)即可。利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计不同Sm下的Sa或SN。Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=112解：1.工作循环应力幅和平均应力：Sa=(Smax-Smin)/2=360MPaSm=(Smax+Smin)/2=440MPa例2.1:构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa,Smin=80MPa。若已知材料的极限强度为Su=1200MPa，试估算其疲劳寿命。2.估计对称循环下的基本S-N曲线：Sf(tension)=0.35Su=420MPa若基本S-N曲线用幂函数式SmN=C表达，则m=3/lg(0.9/k)=7.314；C=(0.9Su)m×103=1.536×1025134.估计构件寿命对称循环(Sa=568.4,Sm=0)条件下的寿命，可由基本S-N曲线得到，即N=C/Sm=1.536×1025/568.47.314=1.09×105(次)3.循环应力水平等寿命转换利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工作循环应力水平,等寿命地转换为对称循环下的应力水平Sa(R=-1)，由Goodman方程有：(Sa/Sa(R=-1))+(Sm/Su)=1可解出：Sa(R=-1)=568.4MPa14重画Sa-Sm关系图。射线斜率k,k=Sa/Sm；又有R=Smin/Smax=(Sm-Sa)/(Sm+Sa)=(1-k)/(1+k)k、R一一对应，射线上各点R相同。S-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1D3)等寿命疲劳图且有：k=1(45线)时，Sm=Sa，R=0;k=(90线)时，Sm=0，R=-1;k=0(0线)时，Sa=0，R=1;kh作DCOA，DC是R的坐标线，如何标定？15故可知:R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/ACR值在AC上线性标定即可。设AB=h，OB的斜率为：k=Sa/Sm=(OAsin45-hsin45)/(OAcos45+hcos45)=(OA-h)/(OA+h)S-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1DhSuS-10S1S2-101RSaSm将Sa-Sm关系图旋转45度，坐标S1和S2代表什么？16如此得到的图，称为等寿命疲劳图。由图可以:直接读出给定寿命N下的Sa、Sm、Smax、Smin、R；在给定R下，由射线与等寿命线交点读取数据，得到不同R下的S-N曲线。对任一点A，有Sin=Sa/OA,cos=Sm/OA由AOC可知：S1=OC=OASin(45-)=()OA[(Sm-Sa)/OA]=()Smin2/22/2可见，S1表示Smin,坐标按0.707标定；还可证,S2表示Smax。ASS-10CSDS2-101RSaSm1u17R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S/MPamS/MPaaS/MPaminS/MPamaxS/MPamax7075-T6铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=107N=104,R=0.2Sm=330Sa=220Smax=550Smin=110问题一、试由图估计N=104,R=0.2时的应力水平。18R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S/MPamS/MPaaS/MPaminS/MPamaxS/MPamax7075-T6铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=107R=0.2N=104,Sa=220,lgSa=2.342N=105,Sa=180,lgSa=2.255N=106,Sa=150,lgSa=2.176N=107,Sa=130,lgSa=2.114问题二、试由图估计R=0.2时的S-N曲线。LgS34567LgN2.12.22.3192.3影响疲劳性能的若干因素1.载荷形式的影响Sf（弯）＞Sf（拉）SmaxSmaxddDD弯曲拉伸载荷、尺寸不同时的高应力区域体积拉弯拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵抗疲劳破坏的能力。20同样可用高应力区体积的不同来解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域体积越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。2.尺寸效应尺寸效应可以用一个修正因子Csize表达为：Csize=1.189d-0.0978mmd250mm当直径d8mm时，Csize=1。尺寸修正后的疲劳极限为：Sf'=CsizeSf.尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。213.表面光洁度的影响由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。400700100013001.00.80.60.40.20表面光洁度系数抗拉强度(Mpa)镜面抛光精磨热轧锻造盐水腐蚀机械加工材料强度越高，光洁度的影响越大；应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响越大。加工时的划痕、碰伤(尤其在孔、台阶等高应力区)，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。22材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，效果越好。在缺口应力集中处采用,效果更好。4.表面处理的影响残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。疲劳裂纹常起源于表面。在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等；都可在表面引入残余压应力,提高寿命。温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在350C以上,铝在150C以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。23镀铬或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。材料强度越高，寿命越长，镀层越厚，影响越大；104105106107NS500400300200150镀镍+喷丸喷丸+镀镍基材镀镍镀镍、喷丸对疲劳性能的影响热轧或锻造，会使表面脱碳，强度下降并在表面引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低50%甚至更多。材料强度越高，影响越大。渗碳或渗氮，可提高表层材料强度并引入残余压应力，使钢材疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。镀前渗氮，镀后喷丸等，可以减小其不利影响。24Careshouldbetakenwhenusingtheideaofanendurancelimit,a“safestress”belowwhichfatiguewillnotoccur.Onlyplaincarbonandlow-alloysteelexhibitthisproperty,anditmaydisappearduetohightemperatures,corrosiveenvironments,andperiodicoverloads.用持久极限作为低于它将不出现疲劳的安全应力时,必须要注意。只有普通碳钢和低合金钢才有上述特性，且这一特性可能由于高温、腐蚀环境和周期超载而消失。25Asageneraltrendthefollowingfactorswillreducethevalueofendurancelimit:Tensilemeanstress,Largesectionsize,Roughsurfacefinish,Chromeandnickelplating,Decarborization(duetoforgingandhotrolling)拉伸平均应力大截面尺寸表面粗造镀铬和镀镍锻造或热轧脱碳26Thefollowingfactorstendtoincreasethe