课6-金属疲劳的宏观规律word版本.ppt

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1、 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院课6-金属疲劳的宏观规律 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院61 对称循环应力下的疲劳对称循环应力下的疲劳611 循环加载的特征参数循环加载的特征参数 应力的循环特征可用下列参数表示：应力的循环特征可用下列参数表示：1）应力幅）应力幅a或应力范围或应力范围：a=/2=(max-min)/2 2）平均应力）平均应力m或应力比或应力比R：m=(max+min)2 R=min/max 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院循环加载的

2、另一个特征参数，是加载频率f，单位为Hz。还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形。循环应力分为下列几种典型情况 a）交变对称循环，m=0，R-1b）交变不对称循环，0ma，-1R0 c）脉动循环，m=a，R0 d）波动循环 ，ma，0R1 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院612 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线古老而简单的疲劳试验是旋转弯曲疲劳试验。试验时试古老而简单的疲劳试验是旋转弯曲疲劳试验。试验时试件旋转一周，其表面受到交变对称循环应力的作用一件旋转一周，其表面受到交变对称循环应力的作用一次。从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定次。从加载

3、开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义为该试件的疲劳寿命义为该试件的疲劳寿命Nf。每个试件的实验结果对应。每个试件的实验结果对应于（于（a，Nf）平面上的一个点。在不同的应力幅下试）平面上的一个点。在不同的应力幅下试验一组试件，可以得到一组点，描绘出的曲线就是疲验一组试件，可以得到一组点，描绘出的曲线就是疲劳寿命曲线。因为第一条这样的曲线是由德国工程师劳寿命曲线。因为第一条这样的曲线是由德国工程师Whler测定的，故又称为测定的，故又称为Whler曲线；习惯上也称曲线；习惯上也称作作S-N曲线曲线 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 力学性能表征、

4、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院疲劳寿命曲线分三个区：疲劳寿命曲线分三个区：1）低循环疲劳（）低循环疲劳（Low Cycle Fatigue）区，在很高的应力下，在很少的循环）区，在很高的应力下，在很少的循环次数后（小于次数后（小于104或或105 次），试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。次），试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。低循环疲劳又可称为短寿命疲劳低循环疲劳又可称为短寿命疲劳2）高循环疲劳（）高循环疲劳（High Cycle Fatigue）区，循环应力低于弹性极

5、限，疲劳）区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，寿命长，Nf105 次循环。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，次循环。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。高循环疲劳又称为长寿命疲劳。因而在宏观上表现为脆性断裂。高循环疲劳又称为长寿命疲劳。不论在低循环疲劳区或高循环疲劳区，试件的疲劳寿命总是有限的，故可将不论在低循环疲劳区或高循环疲劳区，试件的疲劳寿命总是有限的，故可将上述两个区合称为有限寿命区。上述两个区合称为有限寿命区。3）无限寿命区或安全寿命区，试件在低于某一临界应力幅）无限寿命区或安全寿命区，试件在低于某一临界应力幅ac的应力下，可的应力下，可以

6、经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限。故可将以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限。故可将ac称为材称为材料的理论疲劳极限或耐久限。料的理论疲劳极限或耐久限。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院613 疲劳极限及其实验测定疲劳极限及其实验测定在工程实践中，将疲劳极限定义为：在指定的疲在工程实践中，将疲劳极限定义为：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。对劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。对于结构钢，指定寿命通常取于结构钢，指定寿命通常取Nf=107 cycles。在应力比在应力比R=1时测定的疲劳极限记为时测定的疲劳极限

7、记为1。测定疲劳极限最简单的方法是单点试验法，但精测定疲劳极限最简单的方法是单点试验法，但精度不高。度不高。因而常采用升降法。升降法实质上因而常采用升降法。升降法实质上是单点法的多次重复。是单点法的多次重复。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院614 疲劳寿命曲线的数学表达式疲劳寿命曲线的数学表达式Basquing公式公式：式中的式中的 f是疲劳强度系数（对大多数金属其值很接是疲劳强度系数（对大多数金属其值很接近经过颈缩修正的单向拉伸断裂强度近经过颈缩修正的单向拉伸断裂强度 f），），b称为疲称为疲劳强度指数或劳强度指数或Basquing指数。指数。

8、郑公式：郑公式：表明了疲劳极限的存在表明了疲劳极限的存在，A 可称为疲劳抗力系数，是可称为疲劳抗力系数，是与材料拉伸性能有关的常数；与材料拉伸性能有关的常数；ac是理论疲劳极限是理论疲劳极限 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院62 非对称循环应力下的疲劳非对称循环应力下的疲劳表征非对称循环应力，除给出应力幅表征非对称循环应力，除给出应力幅(a)外，外，还要给出平均应力还要给出平均应力(m)或应力比或应力比(R)。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院621 平均应力对疲劳的影响平均应力对疲劳的影响a)对疲劳

9、寿命的影响 b)对疲劳极限的影响。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院关于平均应力对疲劳极限的影响，提出过许多经关于平均应力对疲劳极限的影响，提出过许多经验公式。己在工程设计中采用的公式有：验公式。己在工程设计中采用的公式有：Goodman公式：公式：a1（1m/b）Geber公式：公式：a1 1(m/b）2 Soderberg公式：公式：a1（1m/s）力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院63 变幅循环应力下的疲劳变幅循环应力下的疲劳631 累积疲劳损伤定则累积疲劳损伤定则 力学性能表征、评价与测试研究室

10、力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院很多零件在服役过程中受到变幅载荷的作用。图示意地表示零件所受的变幅应力。这种按某种规律随时间而变化的载荷简称疲劳载荷谱如何根据等幅载荷下测定的S-N曲线，估算变幅载荷下零件的疲劳寿命，需要有个换算法则。常用的是Miner线性累积损伤定则。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院Miner线性累积损伤定则 设试件在循环应力设试件在循环应力1下的疲劳寿命为下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力幅，若在该应力幅下循环下循环1次，则劳寿命缩减的分数为次，则劳寿命缩减的分数为1 Nf1，即造成的，即造成的损伤度为损伤度为

11、D1，D1=1/Nf1；若循环；若循环n1次次,，则造成的损伤，则造成的损伤度为度为n1D1；若在应力幅；若在应力幅2下循环下循环n2次次,则造成的损伤度则造成的损伤度为为n2D 2=n2/Nf2。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院若零件所受的变幅载荷有若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循环应力级，则在不同级的循环应力下所造成的总损伤度为下所造成的总损伤度为njDj。当总损伤度达到临界值。当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为界值为1.0。若将恒幅加载看成变幅

12、载荷的特例，则变幅。若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷下损伤度的临界值也应为载荷下损伤度的临界值也应为1.0。故有。故有 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院Miner线性累积损伤定则主要问题是没有考虑载线性累积损伤定则主要问题是没有考虑载荷谱中大小载荷的先后次序交互作用，需要研荷谱中大小载荷的先后次序交互作用，需要研究改进。究改进。但但Miner定则由于其形式简单，使用方便，而且定则由于其形式简单，使用方便，而且目前也没有比目前也没有比Miner定则更好的累积损伤定则，定则更好的累积损伤定则，因而因而Miner定则仍被广泛地采用。定则仍被广

13、泛地采用。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院632 小载荷省略准则在理论疲劳极限以下，由于 Nf，所以损伤度为零，即不造成损伤。所以理论疲劳极限可以作为小载荷省略的根据或准则。这样，可以将载荷谱中不造成损伤的小幅载荷加以剔除，从而可大大缩短结构件变幅载荷下的试验周期，节约人力、物力和财力。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院64 疲劳寿命的统计规律疲劳寿命的统计规律641 疲劳数据分散性特点疲劳数据分散性特点 疲劳试验的一个特点就是数据有很大的分散疲劳试验的一个特点就是数据有很大的分散性。疲劳试验中的载荷

14、波动、试样装夹精度、性。疲劳试验中的载荷波动、试样装夹精度、试样表面状态以及材料本身的不均匀性或缺陷试样表面状态以及材料本身的不均匀性或缺陷都会对试验结果构成影响，材料中的非金属夹都会对试验结果构成影响，材料中的非金属夹杂物含量及其形态也对疲劳试验结果有重要影杂物含量及其形态也对疲劳试验结果有重要影响，造成试验数据的分散性。响，造成试验数据的分散性。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 试验表明，在同一应力水平下，同一组试样的疲劳寿命差别较大，且按一定的概率规律分布。图为一种铝合金的试验结果，可见试验数据分布在相当广的分散带内。通常，疲劳分散带随应力

15、水平的降低而加宽，随材料强度水平提高而加宽。由于这一特征，如何科学地描述疲劳试验结果，便成为一个比较复杂的问题。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院642 PSN 曲线曲线 在固定应力在固定应力S下疲劳寿命下疲劳寿命N是与概率是与概率P有关的；在应力有关的；在应力S变变化的情况下，疲劳寿命化的情况下，疲劳寿命N既与既与S有关，又与有关，又与P有关，即有关，即N是是S和和P的二元函数。的二元函数。习惯上人们把这二元函数看作以习惯上人们把这二元函数看作以P为参数，以为参数，以S为自变量的一为自变量的一元函数，从而在元函数，从而在SN坐标平面上作出的曲线称

16、为坐标平面上作出的曲线称为PSN曲线。曲线。通常的通常的 SN曲线应看作为一组试样之分散带中的平均值，曲线应看作为一组试样之分散带中的平均值，相当于破坏概率相当于破坏概率P为为50的的PSN曲线。曲线。在等幅交变应力下，疲劳寿命一般来说是服从对数正态分布在等幅交变应力下，疲劳寿命一般来说是服从对数正态分布或威布尔分布的。或威布尔分布的。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 力学性能表征、评

17、价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院65 疲劳切口敏感度疲劳切口敏感度实际零件中由于存在切实际零件中由于存在切口而引起应力集中口而引起应力集中,从从而使疲劳寿命缩短和而使疲劳寿命缩短和疲劳极限降低；疲劳极限降低；由图可见，应力集中系由图可见，应力集中系数数Kt愈大，疲劳强度愈大，疲劳强度愈低。愈低。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院第六章完第六章完 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢