工程力学-第12章-B

TSINGHUAUNIVERSITY范钦珊教育教学工作室FANQin-ShansEducation&TeachingStudio返回总目录范钦珊教育与教学工作室2020年6月18日返回总目录工程力学(静力学与材料力学)清华大学范钦珊(12B)TSINGHUAUNIVERSITY第二篇材料力学工程力学(静力学与材料力学)TSINGHUAUNIVERSITY动载荷与疲劳强度概述(B)返回总目录第二篇材料力学工程力学(静力学与材料力学)第12章TSINGHUAUNIVERSITY结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力（alternativestress）作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称为疲劳（fatigue）。对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有80％以上是由于疲劳失效引起的。因此，对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位。疲劳强度已从经典的无限寿命设计发展到现代的有限寿命设计和可靠性分析。累积损伤理论为解决疲劳寿命问题提供了重要基础及工程计算方法。零件、构件以至设备的寿命、可靠性等已成为国内外市场上产品竞争的重要指标。这一部分的主要内容包括：疲劳失效的主要特征与失效原因简述；疲劳极限及其影响因素；线性累积损伤理论以及有限寿命和无限寿命的疲劳强度设计方法等。第12章动载荷与疲劳强度概述(续)TSINGHUAUNIVERSITY疲劳强度概述疲劳极限与应力-寿命曲线影响疲劳寿命的因素结论与讨论(2)基于有限寿命设计方法的疲劳强度第12章动载荷与疲劳强度概述(续)TSINGHUAUNIVERSITY疲劳强度概述返回首页返回总目录第12章动载荷与疲劳强度概述(续)TSINGHUAUNIVERSITY疲劳失效特征与失效原因分析交变应力疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY传动轴的疲劳失效疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY弹簧的疲劳失效疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY弹簧的疲劳失效疲劳源疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY弹簧的疲劳失效疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY飞机的疲劳失效疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY飞机的疲劳失效疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY交变应力疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY交变应力——一点的应力若随时间而变化，这种应力称为交变应力(alternativestress)疲劳失效——材料与构件在交变应力作用下的失效，称为疲劳失效(fatiguefailure),简称疲劳(fatigue)。疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY承受交变应力作用的构件或零部件，大部分都在规则或不规则变化的应力作用下工作。ttt疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY最大应力最小应力平均应力应力幅值有关交变应力的若干名词和术语疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY应力循环——应力变化的一个周期应力循环疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY应力比——应力循环中最小应力与最大应力之比。maxminSSrmaxminSSminmaxSSrminmaxnSS疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY对称循环——应力比r=－1的应力循环。疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY脉冲循环——应力比r=0的应力循环。疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY静应力（staticalstress）——静应力可作为交变应力的特例。在静应力作用下，有01amminmaxSSSSr,,疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY需要注意的是：应力循环指一点的应力随时间的变化循环，最大应力与最小应力等都是指一点的应力循环中的数值。它们既不是指横截面上由于应力分布不均匀所引起的最大和最小应力，也不是指一点应力状态中的最大和最小应力。上述广义应力记号S泛指正应力和剪应力。若为拉、压交变或反复弯曲交变，则所有符号中的S均为正应力；若为反复扭转交变，则所有S均为剪应力，其余关系不变。上述应力均未计及应力集中的影响，即由理论应力公式算得。这些应力统称为名义应力（nominalstress）。例如AFNx(拉伸)zzIyM(平面弯曲)PIMx(圆截面杆扭转)疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY疲劳失效特征与失效原因分析疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限；破坏前没有明显的塑性变形，即使韧性很好的材料，也会呈现脆性断裂；交变应力作用下的疲劳破坏需要经过一定数量的应力循环；同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。疲劳失效特征疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。光滑区域颗粒状区域疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY晶粒裂纹扩展路径疲劳失效原因分析疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY滑移带初始裂纹晶界疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY初始缺陷滑移滑移带初始裂纹(微裂纹)宏观裂纹脆性断裂宏观裂纹扩展疲劳破坏过程疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY疲劳强度概述TSINGHUAUNIVERSITY疲劳极限与应力-寿命曲线第12章动载荷与疲劳强度概述(续)返回首页返回总目录TSINGHUAUNIVERSITY疲劳强度设计的依据——疲劳极限疲劳极限——经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。又称为持久极限(endurancelimit).疲劳极限需要由疲劳实验确定。疲劳极限疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳试样疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳试验装置疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY实际结构疲劳试验装置疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY应力-寿命曲线疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITYO每一应力水平只有一个试样的数据疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITYO每一应力水平有一组试样的数据疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITYOO每一应力水平有一组试样的数据每一应力水平只有一个试样的数据两种试验的应力-寿命曲线疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY条件疲劳极限对于有渐近线的S-N曲线，规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。对于没有渐近线的S-N曲线，规定经历2×107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY需要指出的是，裂纹的生成和扩展是一个复杂过程，它与构件的外形、尺寸、应力变化情况以及所处的介质环境等都有关系。因此，对于承受交变应力的构件，不仅在设计中要考虑疲劳问题，而且在使用期限内需要进行中修或大修，以检测构件是否发生裂纹及裂纹扩展的情况。对于某些维系人民生命财产的重要构件，还需要作经常性的检测。乘坐火车时你会注意到，火车停驶后，都有铁路工人用小铁锤轻轻敲击车厢车轴的情景。这便是检测车轴是否发生裂纹，以防止发生突然事故的一种简易手段。因为火车车厢及所载旅客的重力方向不变，而车轴不断转动，其横截面上任意一点的位置均随时间不断变化，故该点的应力亦随时间而变化，车轴因而可能发生疲劳破坏。用小铁锤敲击车轴，可以根据声音直观判断是否存在裂纹以及裂纹扩展的程度。疲劳极限与应力-寿命曲线TSINGHUAUNIVERSITY影响疲劳寿命的因素第12章动载荷与疲劳强度概述(续)返回首页返回总目录TSINGHUAUNIVERSITY影响疲劳寿命的因素前面介绍了光滑小试样的疲劳极限，并不是零件的疲劳极限，零件的疲劳极限则与零件状态和工作条件有关。零件状态包括应力集中、尺寸、表面加工质量和表面强化处理等因素；工作条件包括载荷特性、介质和温度等因素。其中载荷特性包括应力状态、应力比、加载顺序和载荷频率等。TSINGHUAUNIVERSITY应力集中的影响——有效应力集中因数零件尺寸的影响——尺寸因数表面加工质量的影响——表面质量因数影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY应力集中的影响——有效应力集中因数影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY在构件或零件截面形状和尺寸突变处（如阶梯轴轴肩圆角、开孔、切槽等),局部应力远远大于按一般理论公式算得的数值，这种现象称为应力集中。显然，应力集中的存在不仅有利于形成初始的疲劳裂纹，而且有利于裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限。nmaxtSSK在弹性范围内，应力集中处的最大应力（又称峰值应力）与名义应力的比值称为理论应力集中因数，用Kt表示，即式中,Smax为峰值应力；Sn为名义应力。对于正应力对于剪应力ttKKttKK理论应力集中因数影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY理论应力集中因数只考虑了零件的几何形状和尺寸的影响，没有考虑不同材料对于应力集中具有不同的敏感性。因此，根据理论应力集中因数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。考虑应力集中对疲劳极限的影响，工程上采用有效应力集中因数（effectivestressconcentrationfactor），它是在材料、尺寸和加载条件都相同的前提下，光滑试样与缺口试样的疲劳极限的比值，即有效应力集中因数11f'SSK式中，和分别为光滑试样与缺口试样的疲劳极限，S仍为广义应力记号。1S1'S影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY有效应力集中因数不仅与零件的形状和尺寸有关，而且与材料有关。前者由理论应力集中因数反映；后者由缺口敏感因数（notchsensitivityfactor）q反映。三者之间有如下关系：11tfKqK此式对于正应力和剪应力集中都适用。影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY零件尺寸的影响——尺寸因数影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY前面所讲的疲劳极限为光滑小试样（直径6~10mm）的试验结果，称为“试样的疲劳极限”或“材料的疲劳极限”。试验结果表明，随着试样直径的增加，疲劳极限将下降，而且对于钢材，强度愈高，疲劳极限下降愈明显。因此，当零件尺寸大于标准试样尺寸时，必须考虑尺寸的影响。尺寸引起疲劳极限降低的原因主要有以下几种：一是毛坯质量因尺寸而异，大尺寸毛坯所包含的缩孔、裂纹、夹杂物等要比小尺寸毛坯多；二是大尺寸零件表面积和表层体积都比较大，而裂纹源一般都在表面或表面层之下，故形成疲劳源的概率也比较大；三是应力梯度的影响：若大、小零件的最大应力均相同，在相同的表层厚度内，大尺寸零件的材料所承受的平均应力要高于小尺寸零件。这些都有利于初始裂纹的形成和扩展，因而使疲劳极限降低。影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY零件尺寸对疲劳极限的影响用尺寸因数度量：1d1式中，-1和(-1)d分别为试样和光滑零件在对称循环下的疲劳极限。上式也适用于剪应力循环的情形。影响疲劳寿命的因素TSINGHUAUNIVERSITY表面加工质量的影响