第2章材料的疲勞強(qiáng)度

1、西南交通大學(xué)電子講義第第2章章 材料的疲勞強(qiáng)度材料的疲勞強(qiáng)度第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.1 基本概念基本概念q疲勞疲勞v材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點(diǎn)或某些材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定循環(huán)次數(shù)后點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程。形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程。q交變載荷交變載荷v指載荷的大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則、隨機(jī)變指載荷的大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則、隨機(jī)變化的載荷。也叫循環(huán)載荷、疲勞載荷?；妮d荷。也叫循環(huán)載荷、疲勞載荷。q疲勞壽命疲勞壽命v零件或結(jié)構(gòu)疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)

2、力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)，零件或結(jié)構(gòu)疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)，用用N表示。表示。q疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征v應(yīng)力水平低。應(yīng)力水平低。交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于材交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限或屈服極限。料的強(qiáng)度極限或屈服極限。v脆性斷裂。脆性斷裂。不論是脆性材料還是不論是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂在宏觀上都表塑性材料，疲勞斷裂在宏觀上都表現(xiàn)為沒(méi)有明顯塑性變形的突然斷裂?，F(xiàn)為沒(méi)有明顯塑性變形的突然斷裂。v局部性。局部性。局部的疲勞破壞一般不局部的疲勞破壞一般不牽扯到整個(gè)結(jié)構(gòu)。可以采用局部設(shè)牽扯到整個(gè)結(jié)構(gòu)。可以采用局部設(shè)計(jì)或局部工藝措施增加疲勞壽命。計(jì)或局部工藝措施增加疲勞壽命。v疲勞過(guò)程是一個(gè)損

3、傷累積的疲勞過(guò)程是一個(gè)損傷累積的過(guò)程。過(guò)程。（裂紋形成、擴(kuò)展、斷裂）（裂紋形成、擴(kuò)展、斷裂）v疲勞破壞斷口有自己明顯的疲勞破壞斷口有自己明顯的特征。特征。sb或者max更具突然性，更危險(xiǎn)脆性斷裂區(qū)疲勞區(qū)疲勞源疲勞紋壽命可計(jì)算N=N0+Np第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.2 金屬疲勞破壞機(jī)制金屬疲勞破壞機(jī)制金屬疲勞破壞通?？煞譃槿齻€(gè)階段：金屬疲勞破壞通常可分為三個(gè)階段：1.疲勞裂紋萌生。（由局部塑性應(yīng)變集中引起）疲勞裂紋萌生。（由局部塑性應(yīng)變集中引起）v裂紋萌生方式有三種裂紋萌生方式有三種:滑移帶開(kāi)裂晶界和孿晶界開(kāi)裂夾雜物或第二相與基體的界面開(kāi)裂v裂紋萌生一般發(fā)生在金屬表面的原因裂紋萌生一般發(fā)生在金

4、屬表面的原因2.疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展3.失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂裂紋萌生方式之一裂紋萌生方式之一:滑移帶開(kāi)裂滑移帶開(kāi)裂q是最常見(jiàn)的疲勞裂紋萌生方式,也是三種萌生方式中最基本的一種.q對(duì)于純金屬和單相金屬的疲勞裂紋萌生方式多為滑移開(kāi)裂.q滑移開(kāi)裂的過(guò)程: 循環(huán)載荷-薄弱晶粒間沿晶面產(chǎn)生塑性應(yīng)變-晶粒產(chǎn)生滑移(不可恢復(fù))-金屬表面產(chǎn)生滑移線-滑移線隨循環(huán)次數(shù)增加匯集成表面滑移帶-發(fā)展成駐留滑移帶-形成裂紋裂紋萌生方式之二裂紋萌生方式之二:晶界和孿晶界開(kāi)裂晶界和孿晶界開(kāi)裂q對(duì)于密排六方晶系,因滑移較少,當(dāng)滑移困難時(shí),孿晶變形較為常見(jiàn).例如:鉍,鋯,銻,銅,鋅,金,鐵等金屬.q常溫下,裂紋多為穿晶.高溫下

5、,一般為晶間、晶界表面相接處出現(xiàn)裂紋.q晶界結(jié)合力比晶粒內(nèi)部弱,在低于晶內(nèi)滑移應(yīng)力下,在晶界上萌生裂紋.裂紋萌生方式之三裂紋萌生方式之三:夾雜物或第二相與基體的界面開(kāi)裂夾雜物或第二相與基體的界面開(kāi)裂q在高強(qiáng)度合金中,粗大的夾雜物和其他第二相質(zhì)點(diǎn)的存在,對(duì)裂紋萌生起重要作用.q合金材料的屈服強(qiáng)度一般很高,只有在很高的應(yīng)力幅下,才能產(chǎn)生滑移帶.但是由于在夾雜物或第二項(xiàng)質(zhì)點(diǎn)處產(chǎn)生了很高的應(yīng)力集中,從而在較低的名義應(yīng)力下也能出現(xiàn)局部的塑性變形,這樣便導(dǎo)致在夾雜物和基體界面上萌生裂紋,或由于夾雜物成脆性第2質(zhì)點(diǎn)的斷裂導(dǎo)致裂紋萌生.疲勞裂紋經(jīng)常在金屬表面發(fā)生疲勞裂紋經(jīng)常在金屬表面發(fā)生?q在實(shí)際零件中在實(shí)際

6、零件中,表面應(yīng)力往往比內(nèi)部高表面應(yīng)力往往比內(nèi)部高q內(nèi)部晶粒的四周內(nèi)部晶粒的四周,完全為其他晶粒所包圍完全為其他晶粒所包圍,而表面晶粒所受的而表面晶粒所受的約束少約束少,因而比內(nèi)部晶粒易于滑移因而比內(nèi)部晶粒易于滑移.q表面晶粒與大氣或其他環(huán)境介質(zhì)直接接觸表面晶粒與大氣或其他環(huán)境介質(zhì)直接接觸,有腐蝕作用有腐蝕作用.q表面上往往留有加工痕跡或劃傷表面上往往留有加工痕跡或劃傷,使其疲勞強(qiáng)度降低使其疲勞強(qiáng)度降低.q當(dāng)零件表面經(jīng)強(qiáng)化處理后當(dāng)零件表面經(jīng)強(qiáng)化處理后,表面強(qiáng)度比內(nèi)部高時(shí)表面強(qiáng)度比內(nèi)部高時(shí),疲勞裂紋則疲勞裂紋則一般在硬化層下面一般在硬化層下面.疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展q階段階段v 裂紋首先沿剪應(yīng)力

7、最大的活性面向內(nèi)部擴(kuò)展,滑移面趨向大致與主應(yīng)力軸線成45度.(這個(gè)階段擴(kuò)展緩慢)v 滑移帶上往往萌生有多條裂紋,絕大多數(shù)很早就停止擴(kuò)展.隨著循環(huán)載荷的繼續(xù)繼續(xù),少數(shù)裂紋互相連接超過(guò)幾十微米長(zhǎng)度.這時(shí)的裂紋很少,斷口形貌研究困難.q階段階段v 由于晶?；评щy,裂紋擴(kuò)展方向由開(kāi)始與外力方向成45度逐漸轉(zhuǎn)向與拉伸應(yīng)力成90度,這種拉伸型式的裂紋擴(kuò)展,稱(chēng)為階段裂紋擴(kuò)。v 從階段向階段轉(zhuǎn)變的裂紋長(zhǎng)度，決定于材料和應(yīng)力幅。一般不超過(guò)十分之幾毫米。v 階段裂紋擴(kuò)展速率比階段快，常常有“疲勞條帶”的顯微特征（叫疲勞條紋）。疲勞破壞階段之三疲勞破壞階段之三: 失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂q失穩(wěn)斷裂是疲勞破壞的最終階段。q

8、瞬間發(fā)生。q失穩(wěn)斷裂是損傷積累到臨界值時(shí)的一種表現(xiàn),裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸,裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值的結(jié)果。q失穩(wěn)斷裂的機(jī)制與靜載斷裂相同,只是由于兩者的加載速率不同,因此其臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子值與靜載下的斷裂塑性值有差別。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.3 疲勞破壞斷口分析疲勞破壞斷口分析q宏觀分析宏觀分析(全局性初步分析全局性初步分析)v 用肉眼和用肉眼和25倍以下的放大鏡分析斷口倍以下的放大鏡分析斷口q微觀分析微觀分析v 光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口q金相組織、化學(xué)成分和機(jī)械性能的檢查金相組織、化學(xué)成分和機(jī)械性能的檢查斷口的宏觀分析斷口的宏觀分析q典型疲勞破壞

9、斷口按照斷裂過(guò)程典型疲勞破壞斷口按照斷裂過(guò)程分成三個(gè)區(qū)域。分成三個(gè)區(qū)域。v 疲勞源很小，宏觀上看不到，放大疲勞源很小，宏觀上看不到，放大500倍以上可以看出明顯的疲勞裂倍以上可以看出明顯的疲勞裂紋，可以判斷宏觀缺陷的性質(zhì)和事紋，可以判斷宏觀缺陷的性質(zhì)和事故發(fā)生的原因。故發(fā)生的原因。v 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)為細(xì)晶粒，深色、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)為細(xì)晶粒，深色、平滑、海灘狀。平滑、海灘狀。v 快速斷裂區(qū)為粗晶粒，凹凸不平、快速斷裂區(qū)為粗晶粒，凹凸不平、白色、撕裂或臺(tái)階狀。白色、撕裂或臺(tái)階狀。斷口的微觀分析斷口的微觀分析q微觀分析的目的：了解金屬疲勞破壞過(guò)程的本質(zhì)微觀分析的目的：了解金屬疲勞破壞過(guò)程的本質(zhì)從金屬?gòu)?/p>

10、金屬微觀組織研究疲勞機(jī)理。微觀組織研究疲勞機(jī)理。q疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的形成（1）裂紋一般發(fā)生在表面。在應(yīng)力小于屈服極限時(shí)，疲勞試樣表面出現(xiàn)滑移帶-隨著N增加，滑移線變粗變寬-當(dāng)應(yīng)力大于疲勞極限時(shí)，出現(xiàn)“駐留滑移線”-形成微觀裂紋。（2）結(jié)構(gòu)受交變載荷作用-試件擠出擠入-擠出滑移再?lài)?yán)重-金屬內(nèi)部產(chǎn)生孔洞-出現(xiàn)裂紋。（3）塑性變形積累-出現(xiàn)錯(cuò)位（晶體中的特殊缺陷）-出現(xiàn)疲勞裂紋。（4）表面缺陷（氣孔、夾渣、第2相質(zhì)點(diǎn)）-存在尖銳缺口-疲勞裂紋產(chǎn)生。q疲勞裂紋的形貌疲勞裂紋的形貌v 第第1階段疲勞裂紋擴(kuò)展，斷口光滑，具有一定的結(jié)晶性質(zhì)，無(wú)其他明階段疲勞裂紋擴(kuò)展，斷口光滑，具有一定的結(jié)晶性質(zhì)，無(wú)其

11、他明顯特征。顯特征。v 第第2階段疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有階段疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有4個(gè)特征：個(gè)特征：（1）疲勞區(qū)宏觀上平坦光滑，微觀上仍凹凸不平。每個(gè)斷口由若干凹凸不平的小片段連接而成，小片段結(jié)合處形成臺(tái)階。（2）具有疲勞條紋。包括塑性疲勞條紋（常見(jiàn)）和脆性疲勞條紋（較少）。（3）輪胎壓痕和脊骨壓痕特征。由于相匹配斷口的反復(fù)擠壓、相互嵌入與脫離造成的。（4）在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，還可能出現(xiàn)二次裂紋，往往成掃帚狀。構(gòu)件斷口分析構(gòu)件斷口分析q現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查v檢查工作條件、運(yùn)行情況、周?chē)h(huán)境等檢查工作條件、運(yùn)行情況、周?chē)h(huán)境等v收集碎片，保護(hù)斷口收集碎片，保護(hù)斷口v了解破裂部分的材料、牌號(hào)、加工工藝了解破裂部分的

12、材料、牌號(hào)、加工工藝q斷口宏觀分析斷口宏觀分析v凈化、清洗斷口，分析斷口形貌，找到裂紋源，初步分凈化、清洗斷口，分析斷口形貌，找到裂紋源，初步分析破壞原因析破壞原因q斷口微觀分析斷口微觀分析第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.4 疲勞試驗(yàn)試樣及其制備疲勞試驗(yàn)試樣及其制備q試樣類(lèi)型試樣類(lèi)型(P1619)v彎曲試樣彎曲試樣v軸向加載試樣軸向加載試樣v扭轉(zhuǎn)試樣扭轉(zhuǎn)試樣q試樣制備（試樣制備（P1921）v取樣取樣/機(jī)械加工機(jī)械加工/熱處理熱處理/測(cè)量、探傷與存儲(chǔ)測(cè)量、探傷與存儲(chǔ)西南交通大學(xué)電子講義2.5 材料的材料的S-N曲線曲線循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力循環(huán)

13、應(yīng)力恒幅循環(huán)應(yīng)力恒幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力最小應(yīng)力最大應(yīng)力應(yīng)力幅平均應(yīng)力minmaxam)1/()1 ()1/()1 (/maxminAARRRAARma二者的關(guān)系：載荷可變系數(shù)：應(yīng)力循環(huán)特征：應(yīng)力循環(huán)特征的表示應(yīng)力循環(huán)基本參數(shù)典型的應(yīng)力循環(huán)特征r = -1對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力r=0脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力材料的材料的S-N曲線曲線q反映材料基本疲勞強(qiáng)度特性的曲線為S-N曲線 ，用于估算疲勞壽命和進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。qS-N曲線是用標(biāo)準(zhǔn)小試樣在疲勞試驗(yàn)機(jī)上得到的。

14、q定義：表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱(chēng)為材料的S-N曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)為：S-N曲線.q這種曲線通常都是表示中值疲勞壽命與外加應(yīng)力間的關(guān)系,所以也叫中值S-N曲線,又稱(chēng)為沃勒曲線.SN曲線S-N曲線的繪制曲線的繪制qS-N曲線繪制v 標(biāo)準(zhǔn)試件(812件)v 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)(拉壓扭轉(zhuǎn)彎曲等試驗(yàn)機(jī))v 一定的平均應(yīng)力 ,施加不同的應(yīng)力幅,測(cè)出試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)Nv 以 (或 )為縱坐標(biāo),N為橫坐標(biāo),描點(diǎn)、連線,得到相當(dāng)于 (或R)下的S-N曲線mq對(duì)任何一條S-N曲線,應(yīng)明確以下內(nèi)容:v 材料牌號(hào);種類(lèi)(棒材板材);循環(huán)比R;有無(wú)應(yīng)力集中,Kt值;試驗(yàn)機(jī)加載頻率環(huán)境.v 坐標(biāo)系.橫坐標(biāo)為

15、對(duì)數(shù)壽命;縱坐標(biāo)為應(yīng)力,對(duì)數(shù)坐標(biāo)或笛卡兒坐標(biāo).v 試驗(yàn)點(diǎn).分布在曲線兩側(cè),一般用50%的中值壽命S-N曲線.mmaxamS-N曲線的形狀曲線的形狀v 當(dāng)N較大時(shí),S-N曲線近似為水平直線,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限 (一般鋼材及鈦合金),圖2-18a.v 對(duì)鋁合金及有色金屬,當(dāng)N達(dá)到107時(shí)仍有下降趨勢(shì),一般規(guī)定較高的循環(huán)次數(shù),如2*107對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久極限,圖2-18b.1S-N曲線的簡(jiǎn)化曲線的簡(jiǎn)化一般簡(jiǎn)化為兩條直線：一般簡(jiǎn)化為兩條直線：v左支左支在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般是直線；在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)中一般不為直線。但因直線使用方便，一般將其簡(jiǎn)化為直線。v右支右支水平直線或斜直線S-N曲線的特殊形狀曲線的特殊形

16、狀v 斷開(kāi)由于裂紋尖端由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)。（c圖）v 轉(zhuǎn)折由穿晶破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg破壞。（d圖）S-N曲線的表達(dá)式曲線的表達(dá)式v左支，左支，N=104106冪函數(shù)公式v整條整條S-N曲線曲線CNmCNmlglglg,得：兩邊取對(duì)數(shù)其中：m，c為材料常數(shù)為材料的疲勞極限。為材料常數(shù)；、曲線的負(fù)斜率；為式中當(dāng)AKCBNSmANNCAKABNm1,)1 ()(S-N曲線對(duì)應(yīng)的疲勞破壞階段曲線對(duì)應(yīng)的疲勞破壞階段v低周循環(huán)疲勞段（LCF）N107S-N曲線的測(cè)定方法（左支）曲線的測(cè)定方法（左支）q單點(diǎn)法單點(diǎn)法v 在一個(gè)應(yīng)力水平下只測(cè)一根式樣，然后將測(cè)得的點(diǎn)連成一條光滑的曲在一個(gè)應(yīng)力水平下只測(cè)一

17、根式樣，然后將測(cè)得的點(diǎn)連成一條光滑的曲線，得到線，得到S-N曲線。曲線。v 精確度差，一般只用來(lái)測(cè)定疲勞極限。精確度差，一般只用來(lái)測(cè)定疲勞極限。q成組法成組法v 應(yīng)力水平取應(yīng)力水平取46級(jí)，一般在級(jí)，一般在0.6 與與 之間選取之間選取v 每一級(jí)應(yīng)力水平下，用每一級(jí)應(yīng)力水平下，用48根試樣。根試樣。v 數(shù)據(jù)處理方法（用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行）數(shù)據(jù)處理方法（用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行）v 繪制曲線的方法繪制曲線的方法 逐點(diǎn)描跡法 直線擬合法11b西南交通大學(xué)電子講義2.6 材料的疲勞極限材料的疲勞極限第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 一一. 材料疲勞極限的定義材料疲勞極限的定義q疲勞極限疲勞極限v 疲勞極限是疲勞壽

18、命無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。疲勞極限是疲勞壽命無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。 S-N曲線水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限。在此應(yīng)力下，試樣可以承受無(wú)限次循環(huán)而永不破壞。結(jié)構(gòu)鋼S-N曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)一般在107以前，因此只要經(jīng)過(guò)107次循環(huán)而不破壞，就可認(rèn)為試樣可以承受無(wú)限次循環(huán)而不破壞。q條件疲勞極限條件疲勞極限v 在在S-N曲線上，與非水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。曲線上，與非水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。 對(duì)有色金屬和腐蝕疲勞，S-N曲線沒(méi)有水平段，不存在真正的疲勞極限。 該類(lèi)材料在經(jīng)過(guò)107108次循環(huán)后，S-N曲線趨于平坦，一般就以107或108次循環(huán)失效時(shí)的最大應(yīng)力作為條件疲勞極限。q疲勞極限的表示方法疲

19、勞極限的表示方法v 對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限：對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限：-1；對(duì)稱(chēng)拉壓疲勞極限：；對(duì)稱(chēng)拉壓疲勞極限： -1t t；對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極；對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極限：限：t-1 其中下標(biāo)“-1”表示應(yīng)力比R=-1 因?qū)ΨQ(chēng)彎曲實(shí)驗(yàn)最方便，一般以對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限來(lái)表示材料的基本疲勞性能。 對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限一般與旋轉(zhuǎn)彎曲下的疲勞極限接近，一般不加區(qū)別。第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 二二. 材料疲勞極限的測(cè)定方法材料疲勞極限的測(cè)定方法q材料的對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限材料的對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限-1一般用一般用610610的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試樣試樣，由，由旋旋轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)彎曲疲曲疲勞實(shí)驗(yàn)勞實(shí)驗(yàn)得到。得到。q鋼鋼件一般件一般進(jìn)進(jìn)行行10107 7次循次循

20、環(huán)環(huán); ; 有色金有色金屬進(jìn)屬進(jìn)行行10107 7或或10108 8次循次循環(huán)環(huán)。q觀測(cè)觀測(cè)疲疲勞極勞極限的方法：限的方法：v 常常規(guī)規(guī)（單單點(diǎn)）法點(diǎn)）法v 成成組試驗(yàn)組試驗(yàn)法法v 升降法（小子升降法（小子樣樣升降法）升降法）v 升降法（大子升降法（大子樣樣升降法）升降法）v 步步進(jìn)進(jìn)法法常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法q在每個(gè)應(yīng)力水平下只試驗(yàn)一個(gè)試樣。（試樣有限，任務(wù)緊迫、節(jié)省經(jīng)費(fèi)）在每個(gè)應(yīng)力水平下只試驗(yàn)一個(gè)試樣。（試樣有限，任務(wù)緊迫、節(jié)省經(jīng)費(fèi)）q常規(guī)疲勞試驗(yàn)一般準(zhǔn)備常規(guī)疲勞試驗(yàn)一般準(zhǔn)備10根試樣根試樣(1根作靜態(tài)試驗(yàn)、根作靜態(tài)試驗(yàn)、78根作疲勞試驗(yàn)、根作疲勞試驗(yàn)、其余作為備品其余作為備

21、品)。q試驗(yàn)中需要將應(yīng)力水平分級(jí)（試驗(yàn)中需要將應(yīng)力水平分級(jí)（7級(jí)以上）級(jí)以上）q施加不同的載荷，得到不同類(lèi)型的施加不同的載荷，得到不同類(lèi)型的S-N曲線。（彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓）曲線。（彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓）q例：彎曲載荷下常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法的試驗(yàn)步驟：例：彎曲載荷下常規(guī)（單點(diǎn)）試驗(yàn)法的試驗(yàn)步驟：v 根據(jù)材料的強(qiáng)度極限根據(jù)材料的強(qiáng)度極限sb估算一個(gè)近似的材料疲勞極限估算一個(gè)近似的材料疲勞極限-1 = 0.44bv 從比估算的疲勞極限從比估算的疲勞極限s-1高一定的百分?jǐn)?shù)開(kāi)始，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。高一定的百分?jǐn)?shù)開(kāi)始，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。 如對(duì)b800MPa的鋼材，第一根試樣取1=1.2-1 = 0.52b 其中1中的

22、下標(biāo)1表示第1根式樣，其余類(lèi)推 根據(jù)前一根試樣的疲勞壽命，逐步改變應(yīng)力做下一根試樣的試驗(yàn) 繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到有一根試樣試驗(yàn)到試驗(yàn)基數(shù)后不發(fā)生斷裂為止，則不斷裂試樣與相臨斷裂試樣的平均值為疲勞極限q疲勞極限與應(yīng)力極差的選擇關(guān)系疲勞極限與應(yīng)力極差的選擇關(guān)系v -1 =100MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差=3MPa）; 100MPa -1 =200MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差=5MPa）; 200MPa -1 =400MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差400MPa（應(yīng)力級(jí)差（應(yīng)力級(jí)差15MPa）;成組試驗(yàn)法成組試驗(yàn)法q疲勞壽命離散性大，常規(guī)（單點(diǎn)）法測(cè)定疲勞壽命離散性大，常規(guī)（單點(diǎn)）法測(cè)定S-N曲線精度差。曲線精

23、度差。q對(duì)于疲勞可靠性設(shè)計(jì)，需要給定對(duì)于疲勞可靠性設(shè)計(jì)，需要給定P-S-N曲線，在壽命小于曲線，在壽命小于107時(shí)，需要進(jìn)行成組試驗(yàn)（即在每個(gè)應(yīng)力水平上用一組試時(shí)，需要進(jìn)行成組試驗(yàn)（即在每個(gè)應(yīng)力水平上用一組試樣）樣）q子樣容量的選擇與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理（參考相關(guān)書(shū)籍）子樣容量的選擇與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理（參考相關(guān)書(shū)籍）小子樣升降法小子樣升降法q由于疲勞性能的分散性，用常規(guī)試驗(yàn)法測(cè)出的疲勞極限值不由于疲勞性能的分散性，用常規(guī)試驗(yàn)法測(cè)出的疲勞極限值不精確，要想精確確定疲勞極限，必須使用升降法。其中小子精確，要想精確確定疲勞極限，必須使用升降法。其中小子樣升降法比大子樣升降法經(jīng)濟(jì)，其試驗(yàn)步驟如下：樣升降法比大

24、子樣升降法經(jīng)濟(jì)，其試驗(yàn)步驟如下：v估算疲勞極限估算疲勞極限-1 （ -1 = 0.5sb），并估算應(yīng)力極差），并估算應(yīng)力極差-1 （ -1 = 4%6%-1）v 第一個(gè)試樣在略高于第一個(gè)試樣在略高于-1應(yīng)力下試驗(yàn)。應(yīng)力下試驗(yàn)。 若在循環(huán)基數(shù)N0前破壞，下一根試樣的試驗(yàn)降低一個(gè)極差； 若在循環(huán)基數(shù)N0后破壞，下一根試樣的試驗(yàn)增加一個(gè)極差；v 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到升降圖由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到升降圖v 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 找對(duì)子，每?jī)蓚€(gè)升、降點(diǎn)配為一對(duì)，出現(xiàn)第一對(duì)趨勢(shì)相反的結(jié)果時(shí)，前面的數(shù)據(jù)舍棄。 將所有對(duì)子的數(shù)據(jù)和未被舍棄的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為疲勞極限的精確值。 其中，第一對(duì)數(shù)據(jù)的平均值就是常規(guī)疲勞試驗(yàn)法的

25、疲勞極限值，如（3和4點(diǎn)）。大子樣升降法大子樣升降法q大子樣升降法的試驗(yàn)方法與小子樣升降法完全相同，差別在于數(shù)據(jù)處理，大子樣升降法的試驗(yàn)方法與小子樣升降法完全相同，差別在于數(shù)據(jù)處理，大子樣法不要求配成對(duì)子。采用如下的公式進(jìn)行處理：大子樣法不要求配成對(duì)子。采用如下的公式進(jìn)行處理：)029. 0(620. 1)21(220FAFBsFAjjjfjBfjAfF2,s為疲勞極限的平均值；s為疲勞極限的標(biāo)準(zhǔn)差；s0為最低試驗(yàn)應(yīng)力水平（未破壞試樣小于破壞試樣數(shù)）；s0為最低破壞應(yīng)力水平（未破壞試樣大于破壞試樣數(shù)）；s為應(yīng)力極差；j為應(yīng)力水平序號(hào)；fj為第j級(jí)應(yīng)力水平下的最少試樣件數(shù)。（大子樣升降法的試樣件

26、數(shù)不應(yīng)少于（大子樣升降法的試樣件數(shù)不應(yīng)少于30）步進(jìn)法步進(jìn)法q步進(jìn)法是一種改進(jìn)的升降法。（庫(kù)德里亞采夫提出）步進(jìn)法是一種改進(jìn)的升降法。（庫(kù)德里亞采夫提出）q試樣數(shù)為升降法的一半，但試驗(yàn)時(shí)間比升降法長(zhǎng)試樣數(shù)為升降法的一半，但試驗(yàn)時(shí)間比升降法長(zhǎng)q適用于試樣數(shù)量不足或特別昂貴的大型試件，但只適用于低適用于試樣數(shù)量不足或特別昂貴的大型試件，但只適用于低于疲勞極限的應(yīng)力下，不產(chǎn)生斷裂和損傷的材料。于疲勞極限的應(yīng)力下，不產(chǎn)生斷裂和損傷的材料。q試樣數(shù)要求試樣數(shù)要求3件以上件以上q試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)步驟：v 第一根試樣在略低于疲勞極限估計(jì)值的應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，如果達(dá)到預(yù)第一根試樣在略低于疲勞極限估計(jì)值的應(yīng)力下進(jìn)行

27、試驗(yàn)，如果達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)基數(shù)后不破壞，則提高一個(gè)應(yīng)力極差（定的試驗(yàn)基數(shù)后不破壞，則提高一個(gè)應(yīng)力極差（=10MPa）繼續(xù)）繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)基數(shù)后仍不破壞，則再提高一個(gè)應(yīng)力極差繼續(xù)試驗(yàn)；進(jìn)行；當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)基數(shù)后仍不破壞，則再提高一個(gè)應(yīng)力極差繼續(xù)試驗(yàn)；按此規(guī)則進(jìn)行直到試件破壞。按此規(guī)則進(jìn)行直到試件破壞。v 第二根試樣按上述方法逐級(jí)提高應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，但第一級(jí)應(yīng)力要比第第二根試樣按上述方法逐級(jí)提高應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，但第一級(jí)應(yīng)力要比第一根試樣的破壞應(yīng)力低一級(jí)。一根試樣的破壞應(yīng)力低一級(jí)。v 以后的試樣，都在比前幾根試樣的最低破壞應(yīng)力低一級(jí)的應(yīng)力水平下以后的試樣，都在比前幾根試樣的最低破壞應(yīng)力低一級(jí)的應(yīng)力水平下

28、開(kāi)始試驗(yàn)，再按前面的方法逐級(jí)提高應(yīng)力直到試樣破壞。開(kāi)始試驗(yàn)，再按前面的方法逐級(jí)提高應(yīng)力直到試樣破壞。三三. 材料疲勞極限與強(qiáng)度極限及其他機(jī)械性能的關(guān)系材料疲勞極限與強(qiáng)度極限及其他機(jī)械性能的關(guān)系q在常溫和空氣介質(zhì)下，材料的疲勞極限與強(qiáng)度極限之間有比較好的相在常溫和空氣介質(zhì)下，材料的疲勞極限與強(qiáng)度極限之間有比較好的相關(guān)性，因此在沒(méi)有現(xiàn)成試驗(yàn)數(shù)據(jù)和沒(méi)有條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以用近似關(guān)性，因此在沒(méi)有現(xiàn)成試驗(yàn)數(shù)據(jù)和沒(méi)有條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以用近似方法估算材料的疲勞極限。方法估算材料的疲勞極限。q碳鋼與合金鋼的對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限，可以表示成如下公式碳鋼與合金鋼的對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限，可以表示成如下公式bba1v 部分

29、代表性的經(jīng)驗(yàn)公式部分代表性的經(jīng)驗(yàn)公式 前蘇聯(lián)學(xué)者茹科夫的經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)sb1400MPa的碳鋼、合金鋼： 上海材料研究所的經(jīng)驗(yàn)公式：bb46. 043. 03811或038. 0/44. 011bbS或圓柱形光滑試樣053.0/52.011bbS或漏斗形試樣稱(chēng)為子樣的標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)差為式中，11/1/SSbbbb48. 034. 011鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵q對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極限與對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限之間存在穩(wěn)定的比例關(guān)系。（對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極限與對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限之間存在穩(wěn)定的比例關(guān)系。（茹茹科夫科夫）v 對(duì)于碳鋼與合金鋼，當(dāng)對(duì)于碳鋼與合金鋼，當(dāng)b b1200MPa1200MPa時(shí)，有時(shí)，有q美國(guó)美國(guó)現(xiàn)

30、代疲勞分析基礎(chǔ)現(xiàn)代疲勞分析基礎(chǔ)推薦的結(jié)果推薦的結(jié)果v 對(duì)于布氏硬度對(duì)于布氏硬度HB500的黑色金屬，有的黑色金屬，有v 對(duì)高強(qiáng)度鋼，有對(duì)高強(qiáng)度鋼，有q其他還有大量的參考結(jié)論（略）其他還有大量的參考結(jié)論（略）bb48. 034. 011鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵1158. 05 . 0/1b3/1/1b第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.7 疲勞壽命的正態(tài)分布疲勞壽命的正態(tài)分布第2章 材料的疲勞強(qiáng)度 2.8 材料的材料的P-S-N曲線曲線qP-S-N曲線的定義曲線的定義v 將各級(jí)應(yīng)力水平下疲勞壽命分布曲線上可靠度相等的點(diǎn)用曲線連接，將各級(jí)應(yīng)力水平下疲勞壽命分布曲線上可靠度相等的點(diǎn)用曲線連接，得到給定可

31、靠度的一組得到給定可靠度的一組S-N曲線，稱(chēng)為曲線，稱(chēng)為P-S-N曲線。曲線。圖中每一條曲線代表某一可靠度下的應(yīng)力-壽命關(guān)系：AB為中值壽命（可靠度50%），即常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)中給出的S-N曲線CD是可靠度為99.9%的P-S-N曲線，使用期內(nèi)零件不發(fā)生破壞的概率為99.9%。GH是可靠度為90%的P-S-N曲線EF是可靠度為1%的P-S-N曲線，不能用于疲勞設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求來(lái)選擇所采用的曲線。一般情況下采用S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。P-S-N曲線代表了更全面的應(yīng)力壽命關(guān)系，比S-N曲線有更廣泛的用途。qP-S-N曲線的測(cè)定方法曲線的測(cè)定方法v P-S-N曲線的測(cè)定可采用單點(diǎn)法和成組

32、法。與成組法測(cè)曲線的測(cè)定可采用單點(diǎn)法和成組法。與成組法測(cè)定定S-N曲線相同，一般選取曲線相同，一般選取45級(jí)應(yīng)力水平，每種應(yīng)力級(jí)應(yīng)力水平，每種應(yīng)力水平下試驗(yàn)一組試樣（不少于水平下試驗(yàn)一組試樣（不少于6個(gè)）個(gè)）v 用成組法測(cè)定材料的用成組法測(cè)定材料的P-S-N曲線的步驟曲線的步驟 準(zhǔn)備若干根標(biāo)準(zhǔn)試件（30根左右） 確定試驗(yàn)應(yīng)力水平（45級(jí)） 確定每一應(yīng)力水平上的試件數(shù)（68件） 進(jìn)行試驗(yàn) 數(shù)據(jù)處理求分析有無(wú)異常件，若有，將其剔除分析試件數(shù)據(jù)是否足夠分析數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布畫(huà)出P-S-N曲線1.求P值下xp，建立方程式并檢查直線的相關(guān)系數(shù)vsx,P-S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法（實(shí)例）曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法（實(shí)例）（1）列表）列表將各級(jí)應(yīng)力水平下的壽命將各級(jí)應(yīng)力水平下的壽命Ni按從小到大的順序排列，并取對(duì)數(shù)按從小到大的順序排列，并取對(duì)數(shù)序號(hào)序號(hào)123456Nj596061006140672078707040Xj=lnNj3.77523.78533.78823.82743.83703.8476表表2-8 某例試樣各級(jí)試驗(yàn)的疲勞壽命和對(duì)數(shù)疲勞壽命（應(yīng)力某例試樣各級(jí)試驗(yàn)的疲勞壽命和對(duì)數(shù)疲勞壽命（應(yīng)力s=235MPa）（2）計(jì)算各級(jí)應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)）計(jì)算各級(jí)應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均