材料的疲劳与断裂.pptx

第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂 1 4.3 材料的疲劳破坏特征及机理（目录）14.1 概概 述述一、疲劳的概念一、疲劳的概念二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例第1页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例一、一、疲劳的概念疲劳的概念疲劳疲劳构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后形成的裂纹或发生的形成的裂纹或发生的断裂断裂过程过程第2页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例40人死亡人死亡；14人受伤；人受伤；直接经济损失直接经济损失631万元万元。1999年年1月月4日，我国重庆市綦日，我国重庆市綦(qi)江县彩虹桥发生江县彩虹桥发生垮塌，造成：垮塌，造成：二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第3页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第4页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第5页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第6页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、疲劳破坏的实例二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第7页/共34页第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂 1 4.3 材料的疲劳破坏特征及机理（目录）14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳破坏的机理一、疲劳破坏的机理二、交变应力的种类二、交变应力的种类第8页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳的概念轮轴表面轮轴表面A点点的正应力的正应力式中式中称为称为应力幅应力幅 交变应力交变应力一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力第9页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳的概念疲劳失效疲劳失效 交变应力交变应力引起的破坏与引起的破坏与静应力静应力引起的破坏引起的破坏截然不同截然不同疲疲 劳劳实践表明：实践表明：一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理在交变应力作用下发生的在交变应力作用下发生的突然断裂突然断裂现象现象第10页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效的特点：疲劳失效的特点：2.即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性 变形，呈变形，呈脆性断裂破坏脆性断裂破坏；1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然突然 断裂断裂；3.断口明显地分为断口明显地分为光滑区光滑区和和粗糙区粗糙区。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第11页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效过程：疲劳失效过程：微观裂纹微观裂纹(称为称为疲劳源疲劳源或或裂纹源裂纹源)；1.在在足够大足够大的交变应力作用下，构件内的的交变应力作用下，构件内的最大应力处最大应力处 或或缺陷处缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，产生，沿最大切应力作用面形成滑移带，产生 2.在微裂纹的尖端产生在微裂纹的尖端产生应力应力 奇异奇异(应力集中应力集中)，在交变，在交变 应力的作用下，微裂纹扩应力的作用下，微裂纹扩 展，形成展，形成宏观裂纹宏观裂纹；3.随着交变应力继续作用，随着交变应力继续作用，宏观裂纹扩展，最终宏观裂纹扩展，最终构件构件 断裂断裂。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第12页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理三、疲劳破坏的机理疲劳失效的实质：疲劳失效的实质：疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在不易发现，在名义应力名义应力低于抗拉强度低于抗拉强度(甚至低于屈服应甚至低于屈服应力力)的情况下，会的情况下，会突然发生断裂突然发生断裂。材料中裂纹的形成和扩展的结果材料中裂纹的形成和扩展的结果 已有资料表明：承受交变应力构件的失效已有资料表明：承受交变应力构件的失效(如飞机、如飞机、火车和机器火车和机器)绝大部分是疲劳失效。绝大部分是疲劳失效。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第13页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类 强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化 j梁在静平衡位置时的应力梁在静平衡位置时的应力 max梁在最大位移时的应力梁在最大位移时的应力 min 梁在最小位移时的应力梁在最小位移时的应力四、交变应力四、交变应力的种类的种类第14页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类一个应力循环一个应力循环 循环次数循环次数 周期周期四、交变应力四、交变应力的种类的种类 强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化重复变化一次的过程重复变化一次的过程应力重复变化的次数应力重复变化的次数完成一个应力循环所需要的时间完成一个应力循环所需要的时间第15页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类交变应力的交变应力的循环特征循环特征(应力比应力比)：应力循环中的应力循环中的平均应力平均应力：应力循环中的应力循环中的应力幅应力幅：四、交变应力四、交变应力的种类的种类第16页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类 2.非对称循环非对称循环即：即：1.对称循环对称循环非对称循环非对称循环 =平均应力平均应力 +对称循环对称循环四、交变应力四、交变应力的种类的种类应力循环种类：应力循环种类：第17页/共34页14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理四、交变应力的种类应力循环种类：应力循环种类：或或 4.静应力静应力交变应力的特例交变应力的特例 3.脉冲循环脉冲循环 脉冲循环和静应力为非对称循环脉冲循环和静应力为非对称循环四、交变应力四、交变应力的种类的种类第18页/共34页第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂 1 4.4 S N曲线及疲劳极限的测定（目录）14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标一、疲劳的强度指标二、疲劳极限的测定方法二、疲劳极限的测定方法第19页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标 在在交交变变应应力力作作用用下下，构构件件内内的的最最大大应应力力小小于于屈屈服服应应力力时时就就可可能能发发生生疲疲劳劳失失效效，因因此此，屈屈服服应应力力或或抗抗拉拉强度不能作为疲劳强度指标。强度不能作为疲劳强度指标。材料的材料的疲劳强度指标疲劳强度指标必须由必须由疲劳强度试验疲劳强度试验测定测定一、一、疲劳的强度指标疲劳的强度指标第20页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标 试试验验表表明明：在在某某一一循循环环特特性性下下，若若最最大大应应力力不不超超过过某某一一极极限限值值，则则材材料料可可经经受受无无限限次次应应力力循循环环而而不不发发生疲劳。生疲劳。通通常常将将最最大大应应力力的的这这一一极极限限值值称称为为材材料料在在循循环环特特性性r 时的时的疲劳极限疲劳极限(持久极限持久极限)，用，用 r表示表示。疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标 疲劳极限与循环特性有关疲劳极限与循环特性有关 对称循环时的疲劳极限最小对称循环时的疲劳极限最小 对称循环是交变应力中的最危险情况对称循环是交变应力中的最危险情况一、一、疲劳的强度指标疲劳的强度指标第21页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法疲劳疲劳极限极限的测定：的测定：2.第一根试样承受第一根试样承受 max 0.7 b；通常在通常在纯弯曲纯弯曲变形下测定变形下测定对称循环对称循环时的疲劳极限时的疲劳极限-1-1测定步骤测定步骤：1.准备准备610个个d=710 mm光滑小试样；光滑小试样；3.逐步减小逐步减小 max，直到循环次数很大时，得到，直到循环次数很大时，得到 -1=max。二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法第22页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法F522431Fa/21试样2夹头3计数器4电机5传动轴6重物+aa6二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法疲劳疲劳极限极限的测定：的测定：通常在通常在纯弯曲纯弯曲变形下测定变形下测定对称循环对称循环时的疲劳极限时的疲劳极限-1-1第23页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法 以以最最大大应应力力为为纵纵坐坐标标，循循环环次次数数(寿寿命命)为为横横坐坐标标，将将疲疲劳劳试试验验结结果果描描绘绘成成的的曲曲线线，称称为为应应力力寿寿命命曲曲线线或或S-N曲线曲线。二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法第24页/共34页14.4 S-N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定二、疲劳极限的测定方法常温试验结果表明：常温试验结果表明：若若钢钢材材经经过过107次次循循环环仍仍未未疲疲劳劳，则则再再增增加加循循环环次次数数，也不会疲劳。也不会疲劳。循环基数循环基数N0=107循环次数循环次数钢材的疲劳极限钢材的疲劳极限经经107次循环仍未发生疲劳的最大次循环仍未发生疲劳的最大 应力值应力值二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法第25页/共34页第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂 1 4.5 构件的疲劳极限（目录）14.5 构件的构件的疲劳极限疲劳极限一、一、构件外形的影响构件外形的影响二、二、构件尺寸的影响构件尺寸的影响三、三、构件表面质量的影响构件表面质量的影响四、四、构件各种因素的影响构件各种因素的影响第26页/共34页14.5 构件的构件的疲劳极限疲劳极限一、构件外形的影响一、构件外形的影响一、构件外形的影响 对称循环下，对称循环下，有效应力集中系数有效应力集中系数定义为定义为 拉压、弯曲：拉压、弯曲：扭转：扭转：式中式中 或或 无应力集中无应力集中的光滑试样的疲劳极限的光滑试样的疲劳极限 或或 有应力集中有应力集中且尺寸与光滑试样相同且尺寸与光滑试样相同 的试样的疲劳极限的试样的疲劳极限第27页/共34页14.5 构件的构件的疲劳极限疲劳极限二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响 对称循环下，对称循环下，尺寸系数尺寸系数定义为定义为 拉压、弯曲：拉压、弯曲：扭转：扭转：式中式中 或或 光滑光滑大大试样的疲劳极限试样的疲劳极限 或或 光滑光滑小小试样的疲劳极限试样的疲劳极限第28页/共34页14.5 构件的构件的疲劳极限疲劳极限三、构件表面质量的影响三、构件表面质量的影响三、构件表面质量的影响 对称循环下，对称循环下，表面质量系数表面质量系数定义为定义为式中式中 表面磨光表面磨光试样的疲劳极限试样的疲劳极限 光滑光滑 小小 试样的疲劳极限试样的疲劳极限第29页/共34页14.5 构件的构件的疲劳极限疲劳极限四、构件各种因素的影响 考考虑虑上上述述各各因因素素的的影影响响，在在对对称称循循环环下下，构构件件的的疲疲劳极限为劳极限为 拉压、弯曲：拉压、弯曲：扭转：扭转：四、构件各种因素的影响四、构件各种因素的影响第30页/共34页第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂 1 4.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法（目录）14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法基于疲劳极限的无限寿命设计法第31页/共34页14.6 基于基于疲劳极限的无限寿命设计法疲劳极限的无限寿命设计法一、定义 对称循环下，构件的疲劳强度条件为对称循环下，构件的疲劳强度条件为式中式中 许用应力许用应力 构件的疲劳极限构件的疲劳极限 n 安全因数安全因数第32页/共34页14.6 基于基于疲劳极限的无限寿命设计法疲劳极限的无限寿命设计法一、定义 本本 章章 重重 点点疲劳的概念及其破坏机理。疲劳的概念及其破坏机理。第33页/共34页感谢您的观看。第34页/共34页