工程力学(静力学与材料力学)第16章疲劳强度问题

单辉祖-材料力学教程1第10章疲劳强度问题本章主要研究：循环应力与疲劳的概念材料的疲劳强度构件的疲劳强度与分析计算提高构件疲劳强度的措施单辉祖-材料力学教程2§1引言§2循环应力及其类型§3S-N曲线与材料的疲劳极限§4影响构件疲劳极限的主要因素§5对称循环应力下构件的强度计算§6非对称与弯扭组合循环应力下构件的强度计算§7变幅循环应力与累积损伤概念简述单辉祖-材料力学教程3§1引言循环应力疲劳破坏及其特点单辉祖-材料力学教程4循环应力实例载荷F的大小循环变化,联杆内应力随之变化每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化单辉祖-材料力学教程5zAAIMytRyAsin起落架因飞机起落而反复受载（载荷不变,轴转动）tRIMzAsin单辉祖-材料力学教程6循环应力－随时间循环变化的应力（也称交变应力）循环应力的变化幅度，可能是恒定的,也可能是变化的循环应力恒幅循环应力变幅循环应力单辉祖-材料力学教程7疲劳破坏及其特点在循环应力作用下，材料或构件产生可见裂纹或完全断裂的现象－称为疲劳破坏，简称疲劳在循环应力作用下，如果应力足够大，并经历应力的多次循环后，构件将产生可见裂纹或完全断裂疲劳破坏单辉祖-材料力学教程8疲劳破坏特点钢拉伸疲劳断裂破坏时应力低于b，甚至s即使是塑性材料，也呈现脆性断裂断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域断疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、逐渐扩展与最后断裂的过程单辉祖-材料力学教程9§2循环应力及其类型恒幅循环应力描述恒幅循环应力的类型单辉祖-材料力学教程10恒幅循环应力描述恒幅循环应力较常见，也是分析变幅循环应力问题的基础两种描述方式：最大应力max与最小应力min平均应力m与应力幅a2minmaxm2minmaxa单辉祖-材料力学教程11恒幅循环应力的类型maxminr循环应力变化特点，影响材料与构件的疲劳强度－应力比或循环特征对称循环应力脉动循环应力1maxmaxmaxminr00maxr非对称循环应力－所有r-1的循环应力单辉祖-材料力学教程12§3S-N曲线与材料的疲劳极限疲劳试验S-N曲线与材料的疲劳极限单辉祖-材料力学教程13疲劳试验旋转弯曲疲劳试验采用小尺寸（6~10mm）光滑标准试样（为一等强梁）轴向拉压疲劳试验机单辉祖-材料力学教程14S-N曲线与材料的疲劳极限S-N曲线应力S（或t）与相应应力循环数（或寿命）N的关系曲线持久极限材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，用r或tr表示，r－循环特征bsN钢r－持久极限单辉祖-材料力学教程15N0－某指定寿命－材料疲劳极限或条件疲劳极限0Nr材料的持久极限与疲劳极限，统称为材料的疲劳极限单辉祖-材料力学教程16§4影响构件疲劳极限的主要因素构件外形的影响构件横截面尺寸的影响构件表面加工质量的影响单辉祖-材料力学教程17构件外形的影响应力集中促使疲劳裂纹的形成，对构件疲劳强度的影响很大sc1－存在应力集中试样的疲劳极限1－不存在应力集中试样的疲劳极限111sc)(KR愈小,K愈大b愈高，应力集中对r的影响愈显著K－有效应力集中因数单辉祖-材料力学教程18应尽量减小应力集中，特别对于高强度材料构件增大圆角半径减小相连杆段的横向尺寸的差别将必要的孔与沟槽等配置在低应力区采用凹槽与卸荷糟等单辉祖-材料力学教程19构件横截面尺寸的影响试验：弯、扭疲劳极限随构件横截面尺寸增大而减小1－标准试样的疲劳极限d1－大尺寸试样的疲劳极限11d1d愈大,r降低愈多b愈高,r降低愈多,t－尺寸因数11d1ttt单辉祖-材料力学教程20构件表面加工质量的影响最大应力发生在构件表层，构件表面又常存在各种缺陷，故构件表面加工质量与表层状况对疲劳强度存在影响111磨削某种加工方法表面加工质量愈低,r降低愈多；b愈高，加工质量对r的影响愈大－表面质量因数对于重要构件,尤其存在应力集中的部位,应特别讲究表面加工方法,愈采用高b材料,愈重要提高构件表层材料的强度、改善表层应力状况，例如渗碳、渗氮、高频淬火、表层滚压与喷丸等单辉祖-材料力学教程21§5对称循环应力下构件的疲劳强度计算对称循环疲劳强度条件例题单辉祖-材料力学教程22对称循环疲劳强度条件K11构件1ff11Knn构件1f1maxKn构件疲劳极限与许用应力构件疲劳强度条件（轴）1f1maxtttttKn（拉压杆与梁）构件疲劳极限构件疲劳许用应力nf－疲劳安全因数单辉祖-材料力学教程231f1maxKn1f1maxtttttKnmax,tmax－最大工作应力（名义应力）[1],[t1]－对不同截面一般不同dBF1max2111fmax1max1nKnfmax1max1nKnttttttt疲劳强度条件的另一种表示形式：单辉祖-材料力学教程24例题例5-1铬镍合金钢轴，承受对称循环交变弯矩，Mmax=700N.m,校核疲劳强度。D=50mm，d=40mm,R=5mm,b=1200MPa,-1=480MPa,nf=1.6，表面精车加工。解：1.工作应力计算危险截面：A-AMPa1011.1π3283maxdM单辉祖-材料力学教程252.确定影响因数125.0,25.1dRdD由于：0.877.10，查得：K60.117.187.01110KK0.84755.0，又查得：3.校核疲劳强度fmax170.1nKn单辉祖-材料力学教程26§6非对称与弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度计算非对称循环疲劳强度条件弯扭组合循环疲劳强度条件单辉祖-材料力学教程27非对称循环应力下构件的疲劳强度条件0,t0－材料在脉动循环应力下的疲劳极限疲劳强度条件（应力比r保持一定时）：fma1nKnfma1nKnttttttt00120012ttttt,－敏感因数，查有关手册，或由下式确定（轴）（拉压杆与梁）a,m（ta,tm）－构件危险点处的平均应力与应力幅,K,,Kt,t－对称循环下的相关影响因数单辉祖-材料力学教程28弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度条件ns2max2maxr34t22maxs2maxs121nt22maxs2maxs11ntt22211nnntnnnnn22ttf22nnnnnnttt弯扭组合静荷强度条件（塑性材料）：推广到弯扭循环应力弯扭循环应力构件疲劳强度条件：试验证实单辉祖-材料力学教程29§7变幅循环应力与累积损伤概念简介累积损伤概念迈因纳定律单辉祖-材料力学教程30累积损伤概念汽车轴、飞机起落架等承受变幅循环应力，以最大峰值应力低于疲劳极限考虑其强度，过于保守累积损伤概念：当构件承受高于疲劳极限的应力时，每个应力循环将使构件受到损伤，而当损伤积累到一定程度时，构件将发生破坏单辉祖-材料力学教程31迈因纳定律程序加载应力谱由k级常幅循环应力组成一周期k,,,:21最大值knnn,,,:21循环数k2211,,,NnNnNnk设寿命为l周期,则破坏条件为11kiiiNnl线性损伤理论每个周期造成的损伤：迈因纳(Miner)定律与试验有些出入,但简单实用单辉祖-材料力学教程32本章结束！