工程力学(静力学与材料力学)第16章疲劳强度问题ppt课件.ppt

单辉祖-材料力学教程1第 10 章 疲劳强度问题 本章主要研究： 循环应力与疲劳的概念 材料的疲劳强度 构件的疲劳强度与分析计算 提高构件疲劳强度的措施单辉祖-材料力学教程21 引言 2 循环应力及其类型3 S-N曲线与材料的疲劳极限4 影响构件疲劳极限的主要因素5 对称循环应力下构件的强度计算6 非对称与弯扭组合循环应力下构件 的强度计算7 变幅循环应力与累积损伤概念简述单辉祖-材料力学教程31 引 言 循环应力循环应力 疲劳破坏及其特点疲劳破坏及其特点单辉祖-材料力学教程4 循环应力循环应力实例载荷载荷 F 的大小循环变化的大小循环变化, ,联杆内应力随之变化联杆内应力随之变化每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化单辉祖-材料力学教程5zAAIMy tRyA sin 起落架因飞机起起落架因飞机起落而反复受载落而反复受载（载荷不变（载荷不变, 轴转动）轴转动）tRIMzA sin 单辉祖-材料力学教程6循环应力随时间循环变化的应力（也称（也称交变应力）循环应力的变化幅度，可能循环应力的变化幅度，可能是恒定的是恒定的, , 也可能是变化的也可能是变化的循环应力恒幅循环应力变幅循环应力单辉祖-材料力学教程7 疲劳破坏及其特点疲劳破坏及其特点在循环应力作用下，材料或构件产生可见裂纹或完全断裂的现象称为疲劳破坏，简称疲劳在在循环循环应力作用下应力作用下，如果应力足够大，如果应力足够大，并经历应力的多次循环后，构件将并经历应力的多次循环后，构件将产生产生可见裂纹或完全断裂可见裂纹或完全断裂疲劳破坏单辉祖-材料力学教程8疲劳破坏特点钢拉伸疲劳断裂钢拉伸疲劳断裂 破坏时应力低于破坏时应力低于 b ，甚至甚至 s 即使是塑性材料，也呈现脆性断裂即使是塑性材料，也呈现脆性断裂 断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域断疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、逐渐扩展与最后断裂的过程单辉祖-材料力学教程92 循环应力及其类型 恒幅循环应力描述恒幅循环应力描述 恒幅恒幅循环应力的类型循环应力的类型单辉祖-材料力学教程10 恒幅恒幅循环应力描述循环应力描述恒幅循环应力较常见，也是分析变幅循环应力问题的基础恒幅循环应力较常见，也是分析变幅循环应力问题的基础两种描述方式：两种描述方式： 最大应力最大应力 max 与最小应力与最小应力 min 平均应力平均应力 m与应力幅与应力幅 a2minmaxm 2minmaxa 单辉祖-材料力学教程11 恒幅恒幅循环应力的类型循环应力的类型maxmin r循环应力变化特点，影响材料与构件的疲劳强度循环应力变化特点，影响材料与构件的疲劳强度应力比应力比或或循环特征循环特征对称循环应力对称循环应力脉动循环应力脉动循环应力1 maxmaxmaxmin r00 max r非对称循环应力非对称循环应力所有所有 r -1 的循环应力的循环应力单辉祖-材料力学教程123 S-N曲线与材料的疲劳极限 疲劳试验疲劳试验 S-N曲线与材料的曲线与材料的疲劳极限疲劳极限单辉祖-材料力学教程13 疲劳试验疲劳试验旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验采用小尺寸（采用小尺寸（610 mm）光滑标准试）光滑标准试样（为一等强梁）样（为一等强梁）轴向拉压疲劳试验机轴向拉压疲劳试验机单辉祖-材料力学教程14 S-N 曲线与材料的曲线与材料的疲劳极限疲劳极限 S-N 曲线曲线 应力应力 S（ 或或 t t）与相应）与相应应力循环数（或寿命）应力循环数（或寿命） N 的关系曲线的关系曲线 持久极限持久极限 材料能经受无限次应力材料能经受无限次应力循环循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，而不发生疲劳破坏的最大应力值，用用 r 或或t tr 表示，表示，r循环特征循环特征 / /MPa b sN钢钢 r持久极限持久极限单辉祖-材料力学教程15N0某指定寿命某指定寿命材料疲劳极限材料疲劳极限或或条件疲劳极限条件疲劳极限 0Nr 材料的持久极限与疲劳极限，统称为材料的疲劳极限材料的持久极限与疲劳极限，统称为材料的疲劳极限单辉祖-材料力学教程164 影响构件疲劳极限的主要因素 构件外形的影响构件外形的影响 构件横截面尺寸的影响构件横截面尺寸的影响 构件构件表面加工质量的影响表面加工质量的影响单辉祖-材料力学教程17 构件外形的影响构件外形的影响应力集中促使疲劳裂纹的形成应力集中促使疲劳裂纹的形成，对构件疲劳强度的影响很大，对构件疲劳强度的影响很大 sc1 存在应力集中试样的疲劳极限存在应力集中试样的疲劳极限1 不存在应力集中试样的疲劳极限不存在应力集中试样的疲劳极限 R 愈小愈小, K 愈大愈大 b 愈高，应力集中愈高，应力集中 对对 r 的影响愈显著的影响愈显著 K 有效应力集中因数有效应力集中因数单辉祖-材料力学教程18应尽量减小应力集中，特别对于高强度材料构件 增大圆角半径增大圆角半径 减小相连杆段的横向尺寸的差别减小相连杆段的横向尺寸的差别 将必要的孔与沟槽等配置在低应力区将必要的孔与沟槽等配置在低应力区 采用凹槽与卸荷糟等采用凹槽与卸荷糟等单辉祖-材料力学教程19 构件横截面尺寸的影响构件横截面尺寸的影响试验：弯、扭疲劳极限随构件横截面尺寸增大而减小试验：弯、扭疲劳极限随构件横截面尺寸增大而减小1 标准试样的疲劳极限标准试样的疲劳极限 d1 大尺寸试样的疲劳极限大尺寸试样的疲劳极限 d 愈大愈大, , r 降低降低愈多愈多 b 愈高愈高, , r 降低降低愈多愈多e e , ,e et t 尺寸因数尺寸因数单辉祖-材料力学教程20 构件构件表面加工质量的影响表面加工质量的影响最大应力发生在构件表层，构件表面又常存在各种缺陷最大应力发生在构件表层，构件表面又常存在各种缺陷，故构件表面加工质量与表层状况对疲劳强度存在影响，故构件表面加工质量与表层状况对疲劳强度存在影响表面加工质量表面加工质量愈低愈低, , r 降低降低愈多愈多； b 愈高，愈高，加加工质量工质量对对 r 的影响愈大的影响愈大 b b 表面质量因数表面质量因数 对于重要构件对于重要构件, 尤其存在应力集中的部位尤其存在应力集中的部位, 应特别应特别讲究表面加工方法讲究表面加工方法, 愈采用高愈采用高 b 材料材料, 愈重要愈重要 提高构件表层材料的强度、改善表层应力状况，提高构件表层材料的强度、改善表层应力状况，例如渗碳、渗氮、高频淬火、表层滚压与喷丸等例如渗碳、渗氮、高频淬火、表层滚压与喷丸等单辉祖-材料力学教程215 对称循环应力下构件的疲劳强度计算 对称循环疲劳强度条件对称循环疲劳强度条件 例题例题单辉祖-材料力学教程22 对称循环疲劳对称循环疲劳强度条件强度条件 b be e K11 构件构件 1ff11 b be e Knn构件构件 1f1max b be e Kn构件疲劳极限与许用应力构件疲劳强度条件（轴）（轴） 1f1max t tb be et tt tt tt tKn（拉压杆与梁）（拉压杆与梁）构件疲劳极限构件疲劳极限构件疲劳许用应力构件疲劳许用应力nf疲劳安全因数疲劳安全因数单辉祖-材料力学教程23 1f1max b be e Kn 1f1max t tb be et tt tt tt tKn max , t tmax 最大工作应力（名义应力）最大工作应力（名义应力） 11 , t t11 对不同截面一般不同对不同截面一般不同 dBF 1max 2111 fmax1max1nKn bbe e fmax1max1nKn t tbtbte et tt tt tt tt t疲劳强度条件的另一种表示形式：疲劳强度条件的另一种表示形式：单辉祖-材料力学教程24 例例 题题例 5-1 铬镍合金钢轴，承受对称循环交变弯矩，铬镍合金钢轴，承受对称循环交变弯矩， Mmax = 700 N.m, 校核疲劳强度校核疲劳强度。D=50mm，d=40mm, R = 5 mm, b = 1200 MPa, -1 = 480 MPa, nf = 1.6，表面精车加工表面精车加工。 解：1. 工作应力计算危险截面危险截面：A-AMPa 1011. 13283max dM 单辉祖-材料力学教程252. 确定影响因数125. 0 ,25. 1 dRdD由于：由于：0.87 7 . 1 0 ，查查得： K 60. 117 . 187. 01110 KK0.84 755. 0 b be e ，又查又查得：3. 校核疲劳强度fmax1 70. 1nKn bbe e 单辉祖-材料力学教程266 非对称与弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度计算 非对称循环疲劳强度条件非对称循环疲劳强度条件 弯扭组合循环疲劳强度条件弯扭组合循环疲劳强度条件单辉祖-材料力学教程27 非对称循环应力下构件的非对称循环应力下构件的疲劳疲劳强度条件强度条件 0 , t t0 材料在脉动循环应力下的疲劳极限材料在脉动循环应力下的疲劳极限疲劳强度条件疲劳强度条件（应力比应力比 r 保持一定时保持一定时）：）：0012 0012t tt tt t t t t t , 敏感因数敏感因数，查有关手册，或由下式确定查有关手册，或由下式确定（轴）（轴）（拉压杆与梁）（拉压杆与梁） a , m （ t ta , t tm ） 构件危险点处的平均应力与应力幅构件危险点处的平均应力与应力幅b b , , K , e e , Kt t , e et t 对称循环下的相关影响因数对称循环下的相关影响因数单辉祖-材料力学教程28 弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度条件弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度条件ns2max2maxr34 t t 22maxs2maxs121n t t 22maxs2maxs11n t tt t 22211nnn t t nnnnn 22t t t t 弯扭组合静荷强度条件（塑性材料）：弯扭组合静荷强度条件（塑性材料）：推广到弯扭推广到弯扭循环应力循环应力弯扭循环应力构件疲劳强度条件：弯扭循环应力构件疲劳强度条件：试验证实试验证实单辉祖-材料力学教程297 变幅循环应力与累积损伤概念简介 累积损伤概念累积损伤概念 迈因纳定律迈因纳定律单辉祖-材料力学教程30 累积损伤概念累积损伤概念汽车轴、飞机起落架等承受变幅循环应力，汽车轴、飞机起落架等承受变幅循环应力，以最大峰值应力低于疲劳极限考虑其强度，以最大峰值应力低于疲劳极限考虑其强度，过于保守过于保守累积损伤概念：累积损伤概念：当构件承受高于疲劳极限的应当构件承受高于疲劳极限的应力时，每个应力循环将使构件受到损伤，而当力时，每个应力循环将使构件受到损伤，而当损伤积累到一定程度时，构件将发生破坏损伤积累到一定程度时，构件将发生破坏单辉祖-材料力学教程31 迈因纳定律迈因纳定律程序加载应力谱程序加载应力谱 由由 k 级常幅循环应力组成一周期级常幅循环应力组成一周期k , , :21最大值最大值knnn , , :21循环数循环数k2211 , , NnNnNnk设寿命为设寿命为 l l周期周期, ,则破坏条件为则破坏条件为线性损伤理论线性损伤理论 每个周期造成的损伤：每个周期造成的损伤：迈因纳迈因纳(Miner)定律定律与试验有些出入与试验有些出入, , 但简单实用但简单实用单辉祖-材料力学教程32本章结束！