疲勞與斷裂第二章的PPT課件

1、12應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞: Smax104， 也稱也稱高周疲勞高周疲勞。應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞: SmaxSy， Nf104， 也稱也稱低周低周應(yīng)變應(yīng)變疲勞。疲勞。 應(yīng)力水平（應(yīng)力水平（S）用）用R和和Sa描述。描述。 壽命（壽命（N）為到破壞的循環(huán)次數(shù)）為到破壞的循環(huán)次數(shù)。 研究裂紋萌生壽命，研究裂紋萌生壽命，“破壞破壞”定義為：定義為： 1.標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試件斷裂。標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試件斷裂。 脆性材料脆性材料 2.出現(xiàn)可見(jiàn)小裂紋出現(xiàn)可見(jiàn)小裂紋, 或可測(cè)的應(yīng)變降。延性材料或可測(cè)的應(yīng)變降。延性材料應(yīng)力應(yīng)力 s s應(yīng)變應(yīng)變 e eSyo3用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在R=-1下，下，施加不同的施加不同的Sa，

2、進(jìn)行疲勞試，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可得到驗(yàn)，可得到S-N曲線。曲線。S103104105106107NfSN4S103104105106107NfSNSf5 m與與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)。有關(guān)的參數(shù)。 二邊取對(duì)數(shù)，有二邊取對(duì)數(shù)，有: lg S=A+B lgN S-N間有間有對(duì)數(shù)線性對(duì)數(shù)線性關(guān)系；關(guān)系；參數(shù)參數(shù) A=LgC/m, B=-1/m。Lg S34567Lg NSf6考慮疲勞極限考慮疲勞極限S Sf f，且當(dāng)，且當(dāng)S S趨近于趨近于S Sf f時(shí)，時(shí)，N N。二邊取對(duì)數(shù)后成為：二邊取對(duì)數(shù)后成為： S=A+B lg N （半對(duì)數(shù)線性關(guān)系）（半對(duì)數(shù)線性關(guān)

3、系） S34567Lg NSf7500500100015002008000 0AB旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎彎曲曲疲疲勞勞極極限限S MPaf f 材料極限強(qiáng)度材料極限強(qiáng)度S MPauS /S =0.5S /S =0.5fuS =700S =700f f89( (供初步設(shè)計(jì)參考供初步設(shè)計(jì)參考) )Lg S34567Lg N120SuSf10StR=-1R=-1/3R=0SmSa不變不變，R or Sm ；N ；N不變不變，R or Sm ；SN ;SNSm0aR增大11SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-110 1 Sm/Su N=107 Haigh 圖如圖，在等壽命線上，如圖，在等壽命線上， S

4、m ，Sa ； Sm Su。Haigh圖圖: (無(wú)量綱形式無(wú)量綱形式)N=107, 當(dāng)當(dāng)Sm=0時(shí)，時(shí)，Sa=S-1； 當(dāng)當(dāng)Sa=0時(shí)，時(shí)，Sm=Su。GerberGoodman12 2. ： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本若基本S-N曲線用冪函數(shù)式曲線用冪函數(shù)式 SmN=C 表達(dá)，則表達(dá)，則 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.536102513 4. 對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)(Sa=568.4, 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.

5、314=1.09105 (次次) 3. 利用基本利用基本S-N曲線估計(jì)疲勞壽命，需將實(shí)際工曲線估計(jì)疲勞壽命，需將實(shí)際工作循環(huán)應(yīng)力水平作循環(huán)應(yīng)力水平, 為對(duì)稱循環(huán)下的應(yīng)為對(duì)稱循環(huán)下的應(yīng)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 MPa14S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1D且有：且有： k=1 (45 線線)時(shí)，時(shí)， Sm=Sa， R=0; k= (90 線線)時(shí)，時(shí)， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0 線線) 時(shí)，時(shí)， Sa=0， R=1;kh作作 DC

6、OA ，DC是是R的坐標(biāo)線，的坐標(biāo)線，？15S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1Dh16對(duì)任一點(diǎn)對(duì)任一點(diǎn)A，有，有 Sin =Sa/OA, cos =Sm/OA 由由 AOC可知：可知：S1=OC=OASin(45 - ) =( )OA(Sm-Sa)/OA =( )Smin2/22/2ASS-10 C SD S 2-101RSaSm1u17R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S /MPamaxS S /MPamax 7075-T6

7、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=107R=0.2N=104, Sa=220, lgSa=2

8、.342N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.114 Lg S34567Lg N2.12.22.319SmaxSmaxddDD彎 曲拉 伸 載荷、尺寸不同時(shí)的 高應(yīng)力區(qū)域體積拉彎 疲勞破壞主要取決于疲勞破壞主要取決于作用應(yīng)力的大小和材料抵作用應(yīng)力的大小和材料抵抗疲勞破壞的能力。抗疲勞破壞的能力。2021400700100013001.00.80.60.40.20表表面面光光潔潔度度系系數(shù)數(shù)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 (Mpa)鏡面拋光精磨熱軋鍛造鹽水腐蝕機(jī)械加工222310104 410105

9、510106 610107 7NS500500400400300300200200150150鍍鎳+噴丸噴丸+鍍鎳基材鍍鎳 鍍鎳、噴丸對(duì)疲勞性能的影響鍍鎳、噴丸對(duì)疲勞性能的影響2425拉伸平均應(yīng)力拉伸平均應(yīng)力 大截面尺寸大截面尺寸表面粗造表面粗造 鍍鉻和鍍鎳鍍鉻和鍍鎳鍛造或熱軋脫碳鍛造或熱軋脫碳26滲氮滲氮 硬化處理硬化處理碳化（滲碳）碳化（滲碳） 噴丸噴丸冷軋冷軋27再見(jiàn)！謝謝！2829實(shí)際零構(gòu)件實(shí)際零構(gòu)件 缺口缺口 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 疲勞性能下降。疲勞性能下降。303132典型載荷塊典型載荷塊：“100100起落起落”，“萬(wàn)公里萬(wàn)公里”，“年年”等。等。SN(起落次數(shù)起落次數(shù))100200

10、某飛機(jī)主輪轂實(shí)測(cè)載荷譜滑行滑行滑行拐彎拐彎著陸著陸載荷譜分實(shí)測(cè)譜和設(shè)計(jì)譜。載荷譜分實(shí)測(cè)譜和設(shè)計(jì)譜。設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的載荷總譜載荷總譜。SS1S2S30n33nD0n1D1N13435ABAB36確定載荷譜，選取擬用的應(yīng)力水平；確定載荷譜，選取擬用的應(yīng)力水平；選用適合構(gòu)件使用的選用適合構(gòu)件使用的S-NS-N曲線；曲線；計(jì)算在應(yīng)力水平計(jì)算在應(yīng)力水平Si下循環(huán)下循環(huán)ni次的損傷：次的損傷： Di=ni/Ni；計(jì)算總損傷計(jì)算總損傷 D= ni/Ni；若若D1，則應(yīng)降低應(yīng)力水平或縮短使用壽命。，則應(yīng)降低應(yīng)力水平或縮短使用壽命。37解解： 假定載荷假定載荷P時(shí)的應(yīng)力水平為時(shí)的應(yīng)力水平為Si=20

11、0MPa。 由由S-N曲線得到曲線得到Ni, 計(jì)算損傷計(jì)算損傷Di，列入表中。，列入表中?？芍?，若取可知，若取S=200MPa, D=1.751,發(fā)生疲勞破壞。發(fā)生疲勞破壞。再取再取S=150MPa, 算得：算得： D=0.981, 可達(dá)設(shè)計(jì)壽命?？蛇_(dá)設(shè)計(jì)壽命。載荷載荷Pi ni(106) P 0.05 0.8P 0.1 0.6P 0.5 0.4P 5.0 總損傷總損傷 D= Di= ni/Ni=1.75Si (MPa) 200 160 120 80Di=ni/Ni0.0800.1020.2881.280Ni (106) 0.625 0.976 1.736 3.30615012090601.1

12、111.7363.0866.9440.0450.0580.1620.7190.983839設(shè)設(shè)由使用經(jīng)驗(yàn)知由使用經(jīng)驗(yàn)知構(gòu)件在構(gòu)件在B譜下的壽命為譜下的壽命為NB，則：，則：Nn NQBiiBB()DnNiiNn NQAiiAA()待求的另一相似構(gòu)件待求的另一相似構(gòu)件在在A譜下的壽命為譜下的壽命為NA，又有：，又有：40：1.1.是構(gòu)件相似，主要是疲勞破壞發(fā)生的高應(yīng)力區(qū)是構(gòu)件相似，主要是疲勞破壞發(fā)生的高應(yīng)力區(qū) 幾何相似；幾何相似；2.2.載荷譜相似，主要是載荷譜型（次序）相似，載荷譜相似，主要是載荷譜型（次序）相似， 載荷大小可以不同。載荷大小可以不同。NQn NNn Nn NAAABBA ()

13、( / ) /( / )許多許多改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以可以借鑒過(guò)去原型借鑒過(guò)去原型的使用經(jīng)驗(yàn)；的使用經(jīng)驗(yàn)；間接考慮了間接考慮了載荷譜型、作用次序及材料分散性載荷譜型、作用次序及材料分散性的的影響；影響；故相對(duì)故相對(duì)MinerMiner理論預(yù)測(cè)精度好，應(yīng)用廣泛理論預(yù)測(cè)精度好，應(yīng)用廣泛。41424344恒幅載荷恒幅載荷隨機(jī)載荷譜？隨機(jī)載荷譜？變幅載荷變幅載荷Miner計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)法載荷載荷0t正變程正變程負(fù)變程負(fù)變程峰峰谷谷 相鄰峰、谷點(diǎn)載荷值之差。有正、負(fù)變程相鄰峰、谷點(diǎn)載荷值之差。有正、負(fù)變程 斜率改變符號(hào)斜率改變符號(hào) 之處。之處。4546St0典型譜段典型譜段雨流計(jì)數(shù)法雨流計(jì)數(shù)法要求典型段要

14、求典型段從從最大峰或最大峰或谷處起止。谷處起止。01122雨流計(jì)數(shù)典型段雨流計(jì)數(shù)典型段不失一般性。不失一般性。47ABCDEFGHIJA024-2-4tSABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流第一次雨流BCEFGHIJE024-2-4SB第二次雨流第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流第三次雨流FI記下流過(guò)的最大峰、谷值，為一循環(huán)，讀出記下流過(guò)的最大峰、谷值，為一循環(huán)，讀出 S, Sm。刪除雨滴流過(guò)部分，對(duì)剩余歷程重復(fù)雨流計(jì)數(shù)。刪除雨滴流過(guò)部分，對(duì)剩余歷程重復(fù)雨流計(jì)數(shù)。48ABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流第一次雨流BCEFGHIJE024-2-4SB第二次雨流第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流第三次雨流FI雨流計(jì)數(shù)結(jié)果雨流計(jì)數(shù)結(jié)果循環(huán)循環(huán)變程變程均值均值EHE70.5BCB4 1ADA90.5FGF3-0.5IJI2-1雨流計(jì)數(shù)是二參數(shù)計(jì)數(shù)，結(jié)果均為全循環(huán)。雨流計(jì)數(shù)是二參數(shù)計(jì)數(shù)，結(jié)果均為全循環(huán)。典型段計(jì)數(shù)后的重復(fù)，只需考慮重復(fù)次數(shù)即可。典型段計(jì)數(shù)后的重復(fù)，只需考慮重復(fù)次數(shù)即可。49若轉(zhuǎn)換時(shí)若轉(zhuǎn)換時(shí) R不變，不變， N1、N2可用相同的可用相同的S-N曲線曲線 SmN=C 表示時(shí)，表示時(shí)，等損傷轉(zhuǎn)換條件等損傷轉(zhuǎn)換條件為：為： n2=n