钢材的疲劳

钢材的疲劳建筑与环境学院土木一班2疲劳1、疲劳现象2、影响疲劳的因素3、常幅疲劳4、变幅疲劳1、疲劳3结构在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。什么是疲劳疲劳破坏的应力水平低于静荷载时的强度极限。如：一根能够承受300kN拉力的杆，在100kN的循环载荷下，经历100万次循环后可能出现破坏。疲劳破坏属于脆性破坏，没有明显的塑性变形。1、疲劳4结构零部件在循环荷载作用下，在某些高应力部位产生损伤并逐渐累积，导致性能退化，裂纹萌生、扩展直到完全断裂的失效形式，称为疲劳失效。疲劳破坏的机理是：细观裂纹的不稳定发展导致整体结构的断裂。疲劳破坏机理裂纹的萌生破坏过程裂纹的缓慢扩展迅速断裂1、疲劳的破坏机理5裂纹的萌生裂纹的缓慢扩展迅速断裂制造过程中不可避免有初始缺陷。对于理想无缺陷结构，晶体界面滑移带的挤出侵入，或者由于氧化、腐蚀、使用中的磨损而形成损伤裂纹。宏观裂纹形成后，在脉动荷载作用下，裂缝沿垂直于最大正应力方向扩展疲劳破坏的最终阶段，应力强度因子超过材料断裂韧度。与前两阶段不同，在一瞬间发生。6由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所以应该先进行了解。变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，可分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种，可用应力-时间曲线描述循环应力常幅变幅2、影响因素一般来说，应力(应变)幅是影响疲劳寿命的决定因素7一些疲劳基本概念:最大应力σmax最小应力σmin应力范围Δσ=σmax-σmin应力幅σa=(σmax-σmin)/2=Δσ/2平均应力σm=(σmax+σmin)/2应力比R=σmin/σmax疲劳寿命（N）2、影响因素疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的施加时间，而仅以循环次数为计算依据。循环特征循环特征r8对称循环tσtσ脉冲循环非对称循环静荷应力tσtσ1r0r11r1r2、影响因素901疲劳验算：对疲劳寿命进行预测材料属性、缺口效应（应力集中）、尺寸、工艺、造型比例加载频率、应力波形、过载与停歇、环境因素表面粗糙度表面凹凸不平，是引起应力集中的因素之一表面强化效应—表面层硬化(1)机械方法，如喷丸、辊压；(2)化学方法，如渗碳及渗氮；(3)热处理。应力幅因素020304零部件特性其他因素表面状态2.1、疲劳验算10《钢结构设计规范》GB50017—2003：容许应力幅法验算将钢结构按不同构件和连接分成8类分别得到每一类S—N曲线（S是应力幅，N是疲劳寿命）材料的S/N曲线有三种方法可以得到：a)手册、规范或文献b)疲劳试验c)经验公式由材料的S/N曲线到构件的S/N曲线，还需根据应力集中效应、尺寸效应、表面效应进行折减验算—由应力幅的分类进行区别Δσ≤[Δσ]1.常幅疲劳Δσ—已折减后的应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力的差值（拉取正，压取负）[Δσ]—常幅疲劳的容许应力幅[Δσ]=𝐶𝑛1𝛽,n为循环次数，C和𝛽由规范取值（见书P322表11-4）lgnσ疲劳试验方法存在一定局限性！疲劳验算的局限性11钢结构的S—N曲线的物理意义不够明确，不能考虑疲劳过程中疲劳裂纹这一重要信息，因此不能描述疲劳破坏的全过程。如：有些钢结构加固后，会对已出现疲劳裂纹有抑制扩展的作用，使之出现还会经历比较长的荷载循环次数，因此《钢结构设计规范》GB50017—2003中的S—N曲线会远远低估这种钢结构的疲劳寿命。《钢结构设计规范》GB50017—2003中的8类曲线是根据完好的结构试件的疲劳试验结果得到的，对于存在疲劳损伤的钢结构不适用。但对于既有的钢结构，都存在一定程度的损伤，因此曲线不宜被采用。《钢结构设计规范》GB50017—2003中提出的疲劳强度是以试验为依据的包含了外形变化和内在缺陷引起的应力集中，以及连接方式不同而引起的内应力的不利影响。当遇到《钢结构设计规范》GB50017—2003规定的8种以外的连接构造时，只能套用相近的连接类别或是以疲劳试验结果确定强度凡是改变已有的应力环境或措施，结构构造将无法使用《钢结构设计规范》GB50017—2003中的数据和结果，对于现在多变的环境下的构造疲劳问题的研究造成局限和困难。2.1、疲劳验算12Δσe≤[Δσ]2.变幅疲劳[Δσ]—常幅疲劳的容许应力幅。由于荷载随机，则可根据Miner线性累积损伤准则，将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅则：𝛥𝜎e[Δσ]=𝐶𝑛𝑖1𝛽此处假设：某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平𝛥𝜎𝑖的循环常幅循环应力构成。各应力幅水平𝛥𝜎𝑖所对应的循环次数为n𝑖，相对疲劳寿命为N𝑖。则Miner线性累积损伤准则为𝑛𝑖𝑁𝑖=1构件或连接类别相同的变幅疲劳和常幅疲劳具有相同的疲劳曲线。理解：1.相同的疲劳曲线当某一级的应力幅𝜟𝝈𝒊循环一次时，将引起𝟏𝑵𝒊的疲劳损伤，𝒏𝒊次后损伤为𝒏𝒊𝑵𝒊2.当损伤份额之和等于1时，将发生疲劳破坏。谢谢