疲勞與斷裂-應力疲勞1

1、1第二章第二章 應力疲勞應力疲勞2應力疲勞應力疲勞: Smax104， 也稱也稱高周疲勞高周疲勞。應變疲勞應變疲勞: SmaxSy， Nf103-104。 S34567Lg NSf3) 三參數式三參數式 (S-Sf)m.N=C7斜線斜線OA+水平線水平線ABR=-1，旋轉彎曲時有：，旋轉彎曲時有： Sf(bending)=0.5Su (Su 1400MPa)1)疲勞極限疲勞極限Sf與極限強度與極限強度Su之關系之關系500500100015002008000 0AB旋旋轉轉彎彎曲曲疲疲勞勞極極限限S MPaf f 材料極限強度材料極限強度S MPauS S / /S S =0.5 =0.5fu

2、S S =700 =700f f常用金屬材料數據圖常用金屬材料數據圖8軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限可估計為：可估計為： Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su 實驗在實驗在(0.3-0.45)Su之間之間 高強脆性材料，極限強度高強脆性材料，極限強度Su取為取為 b ； 延性材料延性材料, Su取為取為 ys。扭轉載荷作用下的疲勞極限扭轉載荷作用下的疲勞極限可估計為：可估計為： Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 實驗在實驗在(0.25-0.3)Su之間之間 注意，注意，不同載荷形式下的不同載荷形式下的

3、Sf和和S-N曲線是不同的曲線是不同的。9故由故由S-N曲線有：曲線有： (0.9Su)m103=(kSu)m106 =C 參數為：參數為： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m103假定假定1：壽命：壽命 N=103時，有：時，有： S103=0.9Su； 高周疲勞：高周疲勞：N103。已知已知Sf 和和 Su, S-N曲線用曲線用 Sm.N=C 表達。表達。假定假定2：壽命：壽命N=106時，時， S106=Sf=kSu, 如彎曲時，如彎曲時，k=0.5。2)無實驗數據時無實驗數據時S-N曲線的估計曲線的估計( (供初步設計參考供初步設計參考) )Lg S34567Lg N

4、120SuSf10StR=-1R=-1/3R=0SmR ，Sm ；且有：且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影響的影響Sm的影響的影響Sm0, 對疲勞有不利的影響；對疲勞有不利的影響；Sm0, 壓縮平均應力存在，對疲勞是有利的。壓縮平均應力存在，對疲勞是有利的。噴丸、擠壓和預應變噴丸、擠壓和預應變殘余壓應力殘余壓應力提高壽命。提高壽命。2.2 平均應力的影響平均應力的影響1) 一般趨勢一般趨勢Sa不變不變，R or Sm ；N ；N不變不變，R or Sm ；SN ;SNSm0aR增大112） Sa-Sm關系關系如圖，在等壽命線上，如圖，在等壽命線上， Sm ，Sa ； Sm Su。

5、Haigh圖圖: (無量綱形式無量綱形式)N=107, 當當Sm=0時，時，Sa=S-1； 當當Sa=0時，時，Sm=Su。對于其他給定的對于其他給定的N，只需將，只需將S-1換成換成Sa(R=-1)即可。即可。利用上述關系，已知利用上述關系，已知Su和基本和基本S-N曲線，即可估計曲線，即可估計不同不同Sm下的下的Sa 或或SN。Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=112解：解： 1. 工作循環(huán)應力幅和平均應力：工作循環(huán)應力幅和平均應力： Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2

6、=440 MPa例例2.1: 構件受拉壓循環(huán)應力作用，構件受拉壓循環(huán)應力作用，Smax=800 MPa, Smin=80 MPa。 若已知材料的極限強度為若已知材料的極限強度為 Su=1200 MPa，試估算其疲勞壽命。，試估算其疲勞壽命。 2. 估計對稱循環(huán)下的基本估計對稱循環(huán)下的基本S-N曲線：曲線： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本若基本S-N曲線用冪函數式曲線用冪函數式 SmN=C 表達，則表達，則 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.536102513 4. 估計構件壽命估計構件壽命 對稱循環(huán)對稱循環(huán)(Sa=568.

7、4, Sm=0)條件下的壽命，可條件下的壽命，可由基本由基本S-N曲線得到，即曲線得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105 (次次) 3. 循環(huán)應力水平循環(huán)應力水平等壽命轉換等壽命轉換 利用基本利用基本S-N曲線估計疲勞壽命，需將實際工曲線估計疲勞壽命，需將實際工作循環(huán)應力水平作循環(huán)應力水平, 等壽命等壽命地地轉換轉換為對稱循環(huán)下的應為對稱循環(huán)下的應力水平力水平Sa(R=-1)，由，由Goodman方程有：方程有： (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出：可解出： Sa(R=-1)=568.4 MPa14重畫重畫Sa-Sm關系圖。關系圖。

8、射線斜率射線斜率k, k=Sa/Sm；又有；又有 R=Smin/Smax =(Sm-Sa)/(Sm+Sa) =(1-k)/(1+k) k、R 一一對應，射線上各點一一對應，射線上各點R相同。相同。S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1D3) 等壽命疲勞圖等壽命疲勞圖且有：且有： k=1 (45 線線)時，時， Sm=Sa， R=0; k= (90 線線)時，時， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0 線線) 時，時， Sa=0， R=1;kh作作 DC OA ，DC是是R的坐標線，的坐標線，如何標定如何標定？15故可知故可知: R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值

9、在值在AC上上 線性標定即可線性標定即可。 設設AB=h，OB的斜率為：的斜率為： k=Sa/Sm=(OAsin45 -hsin45 ) /(OAcos45 +hcos45 ) =(OA-h)/(OA+h)S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1Dh將將Sa-Sm關系圖旋轉關系圖旋轉45 度，坐標度，坐標S1 和和S2 代表什么？代表什么？16如此得到的圖，稱為等壽命疲勞圖。由圖可以如此得到的圖，稱為等壽命疲勞圖。由圖可以: 直接讀出給定壽命直接讀出給定壽命N下的下的Sa、Sm、Smax、Smin、R； 在給定在給定R下，由射線與等壽命線交點讀取數據，下，由射線與等壽命線交點讀取數據

10、， 得到不同得到不同R下的下的 S-N曲線。曲線。對任一點對任一點A，有，有sin =Sa/OA, cos =Sm/OA 由由 AOC可知：可知：S1=OC=OASin(45 - ) =( )OA(Sm-Sa)/OA =( )Smin2/22/2可見，可見，S1表示表示Smin, 坐標按坐標按0.707 標定；還可證標定；還可證, S2表示表示Smax。ASS-10 C SD S 2-101RSaSm1u17R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S

11、 /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 鋁合金等壽命疲勞圖鋁合金等壽命疲勞圖600400200N=106N=105N=104N=107N=104, R=0.2Sm=330Sa=220Smax=550Smin=11018R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 鋁合金等壽命疲勞圖鋁合金等壽命疲勞圖600400200N=106N=105N=104N=1

12、07R=0.2N=104, Sa=220, lgSa=2.342N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.114 191. 1. 載荷形式的影響載荷形式的影響S Sf f（彎）（彎）S Sf f（拉）（拉）拉壓循環(huán)高應力區(qū)體積大，存在缺陷并引發(fā)裂拉壓循環(huán)高應力區(qū)體積大，存在缺陷并引發(fā)裂紋萌生的可能大、機會多。所以，同樣應力水平作紋萌生的可能大、機會多。所以，同樣應力水平作用下，拉壓循環(huán)載荷時壽命比彎曲短；或者說，同用下，拉壓循環(huán)載荷時壽命比彎曲短；或者說，同樣壽命下，拉壓循環(huán)時的疲勞強度比

13、彎曲情況低。樣壽命下，拉壓循環(huán)時的疲勞強度比彎曲情況低。 疲勞破壞主要取決于疲勞破壞主要取決于作用應力的大小和材料抵作用應力的大小和材料抵抗疲勞破壞的能力?？蛊谄茐牡哪芰?。20同樣可用高應力區(qū)體積的不同來解釋。同樣可用高應力區(qū)體積的不同來解釋。 應力水平相同時，試件尺寸越大，高應力應力水平相同時，試件尺寸越大，高應力區(qū)域體積越大。區(qū)域體積越大。 疲勞發(fā)生在高應力區(qū)材料最薄弱處，體積疲勞發(fā)生在高應力區(qū)材料最薄弱處，體積越大，存在缺陷或薄弱處的可能越大。越大，存在缺陷或薄弱處的可能越大。2. 尺寸效應尺寸效應尺寸效應可以用一個修正因子尺寸效應可以用一個修正因子Csize表達為：表達為： Csiz

14、e=1.189d-0.097 8mm d 250mm 當直徑當直徑d8mm時，時，Csize=1。尺寸修正后的疲勞極限為：尺寸修正后的疲勞極限為： Sf= CsizeSf. 尺寸效應對于長壽命疲勞影響較大。尺寸效應對于長壽命疲勞影響較大。213. 表面光潔度的影響表面光潔度的影響由疲勞破壞機理知，表由疲勞破壞機理知，表面粗糙，局部應力集中增面粗糙，局部應力集中增大，裂紋萌生壽命縮短。大，裂紋萌生壽命縮短。400700100013001.00.80.60.40.20表表面面光光潔潔度度系系數數抗拉強度抗拉強度 (Mpa)鏡面拋光精磨熱軋鍛造鹽水腐蝕機械加工材料強度越高，材料強度越高，光潔度的影響

15、越大；光潔度的影響越大； 應力水平越低，壽應力水平越低，壽命越長，光潔度的影響命越長，光潔度的影響越大。越大。加工時的劃痕、碰傷加工時的劃痕、碰傷( (尤其尤其 在在孔、臺階等高應力孔、臺階等高應力區(qū)區(qū)) )，可能是潛在的裂紋源，應當注意防止碰劃。，可能是潛在的裂紋源，應當注意防止碰劃。22材料強度越高，循環(huán)應力水平越低，壽命越長，材料強度越高，循環(huán)應力水平越低，壽命越長，效果越好。在缺口應力集中處采用效果越好。在缺口應力集中處采用, ,效果更好。效果更好。4.4.表面處理的影響表面處理的影響殘余拉應力則有害。焊接、氣割、磨削等會引殘余拉應力則有害。焊接、氣割、磨削等會引入殘余拉應力，使疲勞強

16、度降低或壽命減小。入殘余拉應力，使疲勞強度降低或壽命減小。疲勞裂紋常起源于表面。疲勞裂紋常起源于表面。在表面引入壓縮殘余應力，可提高疲勞壽命。在表面引入壓縮殘余應力，可提高疲勞壽命。表面噴丸；銷、軸、螺栓冷擠壓；干涉配合等；表面噴丸；銷、軸、螺栓冷擠壓；干涉配合等；都可在表面引入殘余壓應力都可在表面引入殘余壓應力, ,提高壽命。提高壽命。溫度、載荷、使用時間等因素可能引起應力松溫度、載荷、使用時間等因素可能引起應力松弛，例如，鋼在弛，例如，鋼在350 C以上以上, 鋁在鋁在150 C以上，以上，就可能出現應力松弛，影響疲勞壽命。就可能出現應力松弛，影響疲勞壽命。23 鍍鉻或鍍鎳，引入殘余拉鍍鉻

17、或鍍鎳，引入殘余拉應力，疲勞極限下降。應力，疲勞極限下降。 材料強度越高，壽命越長，材料強度越高，壽命越長，鍍層越厚，影響越大；鍍層越厚，影響越大；10104 410105 510106 610107 7NS500500400400300300200200150150鍍鎳+噴丸噴丸+鍍鎳基材鍍鎳 鍍鎳、噴丸對疲勞性能的影響鍍鎳、噴丸對疲勞性能的影響 熱軋或鍛造，會使表面脫碳，強度下降并在表面熱軋或鍛造，會使表面脫碳，強度下降并在表面引入拉伸殘余應力?？墒蛊跇O限降低引入拉伸殘余應力?？墒蛊跇O限降低50%甚至更甚至更多。材料強度越高，影響越大。多。材料強度越高，影響越大。 滲碳或滲氮，可提高表

18、層材料強度并引入殘余壓應滲碳或滲氮，可提高表層材料強度并引入殘余壓應力，使鋼材疲勞極限提高。對于缺口件，效果更好。力，使鋼材疲勞極限提高。對于缺口件，效果更好。 鍍鋅或鍍鎘，影響較小，但防磨蝕效果比鍍鉻差。鍍鋅或鍍鎘，影響較小，但防磨蝕效果比鍍鉻差。 鍍前滲氮，鍍后噴丸等，鍍前滲氮，鍍后噴丸等，可以減小其不利影響?？梢詼p小其不利影響。殘余拉應力則有害。焊接、氣割、磨削等會引入殘余拉應力，使疲勞強度降低或壽命減小。溫度、載荷、使用時間等因素可能引起應力松弛，例如，鋼在350C以上, 鋁在150C以上，就可能出現應力松弛，影響疲勞壽命。五、其他因素的影響五、其他因素的影響腐蝕介質將加速疲勞裂紋的產生腐蝕疲勞。25Care should be taken when using the idea of an endurance limit, a “safe stress” below which fatigue will not occur. Only plain carbon and low-alloy steel exhibit this property, and it may disappear due to high temperatures, corrosive