材料力學(xué)疲勞破壞

1、材料力學(xué)疲勞破壞第1頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四答疑地點(diǎn):16教學(xué)樓一層西側(cè)120聯(lián)系電話:27406912Email: lali第2頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞破壞第十章交變載荷下材料的疲勞破壞第3頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四問題1、什么是疲勞破壞？有何特征？2、循環(huán)特征、疲勞極限？3、影響疲勞極限的因素有哪些？第4頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四在工程中，有許多構(gòu)件在工作時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)間作交替變化的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。構(gòu)件產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因有的是由于載荷的大小、方向或位置隨時(shí)間作交替

2、的變化；有的雖然載荷不隨時(shí)間而改變，但構(gòu)件本身在旋轉(zhuǎn)。火車輪軸就屬于后一種情況，下面以車軸為例來分析應(yīng)力隨時(shí)間作交替變化的過程。10-1 交變應(yīng)力的概念第5頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四車軸每旋轉(zhuǎn)一周，A點(diǎn)的應(yīng)力就重復(fù)變化一次，稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，隨著車軸的不停地旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力作周期性的變化。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四單向傳動的嚙合齒輪根部的彎曲正應(yīng)力循環(huán)特性第7頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞破壞在交變應(yīng)力作用下構(gòu)件發(fā)生的破壞 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞。 疲勞破壞發(fā)生的斷面稱為疲勞斷口，是分析

3、疲勞類型，判斷疲勞事故原因的特征區(qū)域。疲勞材料對交變應(yīng)力抵抗力下降的現(xiàn)象。第8頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞破壞特點(diǎn) 交變應(yīng)力引起的疲勞失效與靜應(yīng)力引起的強(qiáng)度失效有本質(zhì)的區(qū)別： 1.疲勞破壞是構(gòu)件在工作應(yīng)力低于強(qiáng)度極限，甚至低于屈服極限的情況下突然發(fā)生的斷裂，往往具有突發(fā)性。 2.塑性材料構(gòu)件也呈脆性斷裂，即使塑性性能很好的材料在斷裂前也無明顯的塑性變形。 第9頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 3. 構(gòu)件的疲勞破壞斷口上有兩個(gè)明顯區(qū)域：光滑區(qū)與粗糙區(qū)，其中粗糙區(qū)又稱為瞬斷區(qū)，斷口呈顆粒狀。 疲勞破壞有裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和斷裂三個(gè)部分。 裂紋產(chǎn)生的

4、位置稱為疲勞源或裂紋源。 裂紋擴(kuò)展但未斷裂的區(qū)域稱為擴(kuò)展區(qū)，通常對應(yīng)光滑區(qū)。 裂紋斷裂的區(qū)域稱為斷裂區(qū)，通常對應(yīng)粗糙區(qū)。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞破壞的過程： 一般認(rèn)為是：當(dāng)交變應(yīng)力大小超過一定限度，在構(gòu)件中應(yīng)力為最大處或材料有缺陷處，材料經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細(xì)微裂紋源。 這種裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而逐步擴(kuò)展。在此擴(kuò)展過程中，隨著應(yīng)力交替地變化，裂紋兩邊的材料時(shí)分時(shí)合，并互相研磨，因而形成斷面的光滑區(qū)域。 通常光滑區(qū)域上還有疏密不等的貝殼狀條紋。稱為疲勞裂紋前沿線。第11頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 隨著裂紋的不斷

5、擴(kuò)展，構(gòu)件截面的有效面積不斷減小，最后當(dāng)削弱到不能抵抗破壞時(shí)，就突然斷裂，斷面上的粗糙顆粒就是由于最后的突然斷裂而形成的。疲勞破壞原因：交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的主要原因。第12頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞破壞過程疲勞裂紋形成（萌生、成核）階段裂紋擴(kuò)展階段微觀裂紋擴(kuò)展階段宏觀裂紋擴(kuò)展階段脆性斷裂階段第13頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四10-2 交變應(yīng)力的要素循環(huán)特征（應(yīng)力比或循環(huán)特性） 應(yīng)力循環(huán)周期T一個(gè)周期變化所需要的時(shí)間最大應(yīng)力max 、最小應(yīng)力min 平均應(yīng)力m和應(yīng)力幅 a第14頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)

6、1分，星期四交變應(yīng)力分類對稱循環(huán)交變應(yīng)力r=-1非對稱循環(huán)交變應(yīng)力r-1脈動循環(huán)交變應(yīng)力r=0靜應(yīng)力（靜載荷）r=1 max(任何交變應(yīng)力）=m（靜應(yīng)力）+a（對稱循環(huán)應(yīng)力） 第15頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四10-3 材料的疲勞極限 在交變載荷作用下工作的構(gòu)件存在一個(gè)能繼續(xù)工作多長時(shí)間的問題，稱為疲勞壽命。疲勞極限或持久極限試件可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，交變應(yīng)力最大值 研究疲勞壽命的主要方法有：應(yīng)力-壽命法。S-N法。應(yīng)變-壽命法。-N法。斷裂力學(xué)法。 S-N法是主要方法，要求零件有無限壽命或很長壽命。適用于低應(yīng)力幅。第16頁，共41頁，2022年，5月2

7、0日，4點(diǎn)1分，星期四疲勞極限測定方法： 疲勞壽命N 對稱循環(huán)條件下，疲勞極限值記為-1應(yīng)力疲勞壽命曲線含義：max -1,試件經(jīng)歷有限次循環(huán)就破壞max -1,試件經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞max =-1,r=-1時(shí)材料的疲勞極限第17頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四一般地，N0=107 “條件”疲勞極限對于有色金屬曲線無明顯趨近于水平直線，這時(shí)可以規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0=107實(shí)踐證明：疲勞極限-1與材料的抗拉強(qiáng)度有一定關(guān)系。如：對于鋼， -1約為0.5 b 。對于灰鑄鐵， -1約為0.42 b 。對于球墨鑄鐵， -1約為0.48 b 。對于鋁合金， -1約為0.3 0

8、.35 b 。第18頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四測定疲勞破壞應(yīng)力的試驗(yàn)稱為耐久性試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)第19頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四耐久性試驗(yàn)包括：拉壓。彎曲扭轉(zhuǎn) 實(shí)踐證明：彎曲疲勞極限（-1）b、扭轉(zhuǎn)疲勞極限-1以及拉壓疲勞極限-1之間有如下近似線性關(guān)系。對于鋼， （-1）b=0.85-1。 -1 =0.55-1。對鑄鐵， （-1）b=0.65-1。 -1 =0.90-1。第20頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 同一種基本變形形式下的持久極限以對稱循環(huán)是的持久極限為最低。疲勞圖線所以，以對稱循環(huán)交變應(yīng)力下的持久極限

9、作為材料在交變應(yīng)力下的主要強(qiáng)度指標(biāo)。第21頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四10-4 構(gòu)件的疲勞極限 影響構(gòu)件疲勞極限的因素應(yīng)力集中構(gòu)件尺寸構(gòu)件表面加工質(zhì)量 在實(shí)驗(yàn)測定材料疲勞極限的基礎(chǔ)上，將構(gòu)件的形狀、尺寸及表面加工質(zhì)量等因素的影響分別獨(dú)立地以系數(shù)的形式修正材料的疲勞極限，得到構(gòu)件的疲勞極限。 第22頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四1、構(gòu)件外形的影響 由于結(jié)構(gòu)與工藝的要求，工程構(gòu)件的形狀與光滑試件有很大的差異，如傳動軸上會有鍵槽、軸肩、橫孔等。構(gòu)件此種外形的變化，將會引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域較易形成疲勞裂紋，使構(gòu)件的疲勞極限顯著低于材料的疲

10、勞極限 。第23頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四有效應(yīng)力集中系數(shù) 拉壓時(shí)第24頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四扭轉(zhuǎn)時(shí)第25頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四彎曲時(shí)第26頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第27頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第28頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四2、構(gòu)件尺寸的影響試驗(yàn)表明，尺寸增大將導(dǎo)致疲勞極限降低 第29頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第30頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第31頁，共41頁

11、，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四3、構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響 不同的表面加工質(zhì)量也會對構(gòu)件的疲勞極限產(chǎn)生影響。一般說來，構(gòu)件表面質(zhì)量較好時(shí)，其疲勞極限較高；反之，疲勞極限較低。 第32頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第33頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 除上述三種影響因素之外，還有一些因素對構(gòu)件的疲勞極限也有影響，如腐蝕、高溫等。這些因素的影響，也可引用一些修正系數(shù)予以考慮，其數(shù)值可以由設(shè)計(jì)手冊中查到 第34頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四構(gòu)件的疲勞極限 對于對稱循環(huán)，若材料的疲勞極限為則構(gòu)件的疲勞極限 上式中K（ K

12、 ）是綜合影響系數(shù)。在綜合影響系數(shù)中考慮的因素有構(gòu)件形狀，尺寸及表面質(zhì)量等 第35頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四10-5 對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度條件也可以用安全系數(shù)表示 構(gòu)件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的三類問題疲勞強(qiáng)度校核，截面設(shè)計(jì)許用載荷計(jì)算第36頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四10-6 、 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施為了降低構(gòu)件的應(yīng)力集中，構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)中要盡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過渡處（如階梯軸的軸肩處），要采用半徑盡可能大的過渡圓角。如果由于結(jié)構(gòu)上的原因，無法加大過渡圓角半徑時(shí)，須在直徑較大的軸段上加開減荷槽或退刀槽。在緊配合的輪轂與軸的配合邊緣處，通常會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時(shí)也應(yīng)在輪轂上開減荷槽，并將配合軸徑適當(dāng)加粗。 一、降低應(yīng)力集中第37頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四第38頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 利用間隔環(huán)加大過渡圓弧卸荷槽，退刀槽力流線第39頁，共41頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)1分，星期四 1.降低構(gòu)件表面的粗糙度。疲勞強(qiáng)度要求較高的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)法降低其表面的粗糙度，使具有較高的光潔度，對高強(qiáng)度鋼尤其如此，此外在裝配及使用過程中，也應(yīng)嚴(yán)防對構(gòu)件表面的機(jī)械損傷或化學(xué)損傷。