疲勞斷裂特征

1、3.1疲勞斷裂特征3.2疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖 3.3 影響疲勞強度的主要因素 3.4許用疲勞極限應(yīng)力圖 3.5穩(wěn)定變應(yīng)力時安全系數(shù)的計算 3.6規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力時的機械零件疲勞強度兩種疲勞強度計算準則1、安全-壽命設(shè)計 -在規(guī)定的工作時間內(nèi)不允許出現(xiàn)疲勞裂紋2、破損-安全設(shè)計 -允許零件存在裂紋并緩慢擴展，但需保證在 規(guī)定的時間內(nèi)仍能安全可靠地工作一、應(yīng)力的種類 t=常數(shù)靜應(yīng)力: =常數(shù)變應(yīng)力: 隨時間變化2minmaxm平均應(yīng)力:2minmaxa應(yīng)力幅:變應(yīng)力的循環(huán)特性:maxminr脈動循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力 -1= 0 +1靜應(yīng)力靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例 3.1 3.1疲勞斷裂特征疲

2、勞斷裂特征脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力r =0循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力r =-1-1maxmTmaxminaamtmaxminaattaaminr =+1 循環(huán)應(yīng)力下，零件的主要失效形式是循環(huán)應(yīng)力下，零件的主要失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂。二、疲勞斷裂過程：二、疲勞斷裂過程： 裂紋萌生、裂紋擴展、斷裂裂紋萌生、裂紋擴展、斷裂 斷口通常沒有顯著的塑性變形。不論是脆性材料，還是 塑性材料，均表現(xiàn)為脆性斷裂。更具突然性，更危險。疲勞斷裂過程：疲勞斷裂過程： 斷裂面累積損傷處表面光滑，而折斷區(qū)表面粗糙。光滑的疲勞發(fā)展區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)v裂紋萌生、裂紋擴展、斷裂三、疲勞斷裂的特點

3、： maxB 甚至maxS 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果3.2.1疲勞曲線1.疲勞極限-在某一循環(huán)特性r下，經(jīng)過N次循環(huán)作用而不發(fā)生 疲勞破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞極限 (rN或rN)2.疲勞曲線-循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限r(nóng)N或rN之間的關(guān)系曲線3.23.2疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖疲勞曲線和疲勞極限應(yīng)力圖 3、 rN N疲勞曲線 用參數(shù)rN表征材料的疲勞極限，通過實驗，可得出如圖所示的疲勞曲線。稱為： rN N疲勞曲線 在原點處，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=1/4，即在加載到最大值時材料被拉斷。顯然該值為強度極限B 。 AB段，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103 ，rN變化很小，可以近似看作為靜應(yīng)力強度（靜應(yīng)力

4、區(qū)）。NrN0107CBAN=1/4 104B103DrNN低周疲勞N104靜應(yīng)力區(qū)N104 BC 段，N =103104，隨著N rN，材料破壞伴有塑性變形，稱這一階段的疲勞現(xiàn)象為應(yīng)變疲勞。 因N 較小，特稱為低周疲勞。rNrD)NN持久疲勞極限 （rNNrN0107CDrNNBAN=1/4 D點以后的疲勞曲線呈一水平線， 代表著無限壽命區(qū)其方程為 實踐證明，機械零件的疲勞大多發(fā)生在 CD段。)(DCmrNNNNconstNCD段曲線可用下式描述104CB103有限壽命疲勞階段無限壽命疲勞階段m與材料有關(guān)的常數(shù) C常數(shù) 由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))

5、，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限r(nóng)來近似代表ND和r。于是有CNN0mrmrNmrNNN0r0rrNNmN 式中 N0（循環(huán)基數(shù)）、r（ N0所對應(yīng)的疲勞極限 ）及m（材料常數(shù)）的值由材料試驗確定。rNNrN0107CBAN=1/4 104B103DrNN低周疲勞N1040mNNKN為壽命系數(shù)。靜應(yīng)力區(qū)N104試驗結(jié)果表明在CD區(qū)間內(nèi)，試件經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的變應(yīng)力作用之后，總會發(fā)生疲勞破壞。而D點以后，如果作用的變應(yīng)力最大應(yīng)力小于D點的應(yīng)力（maxr），則無論循環(huán)多少次，材料都不會破壞。CD區(qū)間有限疲勞壽命階段 D點之后無限疲勞壽命階段 高周疲勞 有關(guān)疲勞曲線說明有關(guān)疲勞曲線說明1、循環(huán)基數(shù)N0與材料

6、性質(zhì)有關(guān)，硬度愈高，循環(huán)基數(shù)愈大。對于鋼，若硬度350HB，取N0=106107；350HB，取N0=1010725 107 一般在計算KN時取N0=107有色金屬N0=25 1072、指數(shù)m(隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而定的指數(shù)）3、不同循環(huán)特性的疲勞曲線具有相似的形狀，r愈大rN也愈大rrNmrmrNNNmNNlglglglg00材料的疲勞極限曲線也可用于特定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N下，極限應(yīng)力幅與平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線來表示，特稱為等壽命曲線，也稱為極限應(yīng)力線圖。（二次曲線）3.2.2 疲勞極限應(yīng)力圖（等壽命疲勞曲線） 單直線簡化實際應(yīng)用時常有兩種簡化方法。簡化等壽命曲線（雙直線極限應(yīng)力線圖）： 對稱循環(huán)

7、 m =0 , max=a=-1 脈動循環(huán) m=a =0 /2 雙直線簡化max已知A(0，-1) B(0 /2，0 /2)兩點坐標，求得AB直線的方程為:ma1smaAE 直線上任意點代表一定循環(huán)特性時的疲勞極限。ES直線上任意點的最大應(yīng)力均達到了屈服極限。ES直線上任意點C的坐標為（m ，a ）由三角形中兩條直角邊相等可求得ES直線的方程為 ),(amC當循環(huán)應(yīng)力參數(shù)（ m，a ）落在OABES以內(nèi)時，表示不會發(fā)生疲勞破壞。而正好落在ABE折線上時，表示應(yīng)力狀況達到疲勞破壞的極限值。 當應(yīng)力點落在ABES以外時，一定會發(fā)生疲勞破壞。 公式 中的參數(shù)為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，其值由試

8、驗及下式?jīng)Q定ma10012對于碳鋼，0.1 0.2，對于合金鋼，0.20.3。1、應(yīng)力集中的影響 3.3 3.3 影響機械零件疲勞強度的主要因素影響機械零件疲勞強度的主要因素k1)應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要原因：零件截面形狀發(fā)生的突然變化2)名義應(yīng)力和實際最大應(yīng)力maxmax理論應(yīng)力集中系數(shù)：有效應(yīng)力集中系數(shù)：1(1)kq 材料的敏感系數(shù) q 1 軸上環(huán)槽、軸肩圓角、軸上徑向孔 理論應(yīng)力集中系數(shù)鋼材的敏性系數(shù)3)理論應(yīng)力集中系數(shù)與有效應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)敏感系數(shù)2、尺寸的影響-尺寸系數(shù)1、零件尺寸越大，疲勞強度越低2、尺寸及截面形狀系數(shù) 4、綜合影響系數(shù)e11e11)()(kkkkDD3.4

9、許用疲勞極限應(yīng)力圖3.4.1穩(wěn)定變應(yīng)力和非穩(wěn)定變應(yīng)力1.穩(wěn)定變應(yīng)力-循環(huán)中平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和周期都不隨時間 變化的變應(yīng)力2.非穩(wěn)定變應(yīng)力-上述參數(shù)之一若隨時間變化則稱作非穩(wěn)定 變應(yīng)力 -規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力 -隨機性非穩(wěn)定變應(yīng)力由于材料試件是一種特殊的結(jié)構(gòu)，而實際零件的幾何形狀、尺寸大小、加工質(zhì)量及強化因素等與試件有區(qū)別，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。 零件的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限-1e 設(shè)材料的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限為-1且總有 -1e-1 3.4.2許用疲勞極限應(yīng)力圖1.所謂許用疲勞極限應(yīng)力圖是在考慮了綜合影響系數(shù)和壽命系數(shù)之后得出 的疲勞極限應(yīng)力圖2.綜合影響系數(shù)只對極限應(yīng)力幅有

10、影響,而壽命系數(shù)對應(yīng)力幅和平均應(yīng)力均 有影響3.工作應(yīng)力點(m,a)必須落在安全區(qū)內(nèi),但許用極限應(yīng)力的大小則取決于工 作應(yīng)力增長的規(guī)律001emae1mea)2:DSKSEEA（3.4.3工作應(yīng)力增長的規(guī)律1.r=const(絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)M1）2.m=const（振動彈簧應(yīng)力狀態(tài)M3）3. min=const(緊螺栓連接受軸向變載荷M2）3.5 3.5 穩(wěn)定變應(yīng)力時安全系數(shù)的計算穩(wěn)定變應(yīng)力時安全系數(shù)的計算疲勞強度的計算采用的是安全系數(shù)計算,即判斷危險截面處的安全程度,準則為: SS該算法具有驗算性質(zhì),因為計算是在零件的材料,結(jié)構(gòu)和尺寸均已確定的條件下進行的3.5.1單向應(yīng)力狀態(tài)時的安

11、全系數(shù)t11maxminconsrmamaamam1.r=常數(shù)的幾何含義2.圖解法求安全系數(shù)HCCGSOCCOHCOHCGOGSaaaamammaxmax 當工作應(yīng)力處于塑性安全區(qū)時當工作應(yīng)力處于塑性安全區(qū)時首先發(fā)生塑性破壞111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLSamS3.解析法求安全系數(shù)工作點位于疲勞安全區(qū)時001110012)(1)()(2)(2)(mDDNamaDNNDNDNkkkkkkkkkk由幾何關(guān)系化簡由幾何關(guān)系化簡aammaamm,amDNaamDNakkkk)(,)(11按應(yīng)力幅求安全系數(shù)該公式也適用于低塑性材料和脆性材料當工作點處于塑性安全區(qū)時)()(1111a

12、aeNmaDNaaaaaeNmaDNaaaSkkkSSkkkSSSmasSSmas)()()(122112SkkkNaDaD)()()(221121SkkkSaDaDN22SSSSSS42max2maxSSs32max2maxSSsSSSSSS復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)時的安全系數(shù)對稱循環(huán)下，對塑性材料，按第三、第四強度理論計算為防止在復(fù)合應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形低塑性和脆性材料規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力3.6 規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力時的機械零件疲勞強度不穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性非規(guī)律性 用統(tǒng)計方法進行疲勞強度計算按疲勞損傷累積假說進行疲勞強度計算如汽車鋼板彈簧的載荷與應(yīng)力受載重量、行車速度、輪胎充氣程度、路面狀況、駕駛員水平等

13、因素有關(guān)。1n12n23n34n4maxnOmaxNO1n1N12 n2N23 n3 N3-1 -1 ND如專用機床主軸1.疲勞損傷積累假說（Miner理論）-在每一次應(yīng)力作用下零件的壽命都受到微量的疲勞損傷,當疲勞損傷積累到一定的時候?qū)a(chǎn)生疲勞斷裂。若應(yīng)力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的用，則應(yīng)力 1 每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的1對材料的損傷率即為n1/N1。如此類推，循環(huán)了n2次的2對材料的損傷率即為n2/N2，而低于-1的應(yīng)力可以認為不構(gòu)成破壞作用。 當損傷率達到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對應(yīng)于極限狀況有13322111NnNnNnNnFziiimiiNN10其中：實驗表明 (1)當應(yīng)力作用順序是先大 后小時，等號右邊值1； 11ziiiNn一般情況有 2 . 27 . 01ziiiNn1).(1101221110mzimiimzzmmmNnnnnN極限情況 P30 有誤m