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1、材料力学疲劳破坏本讲稿第一页，共四十一页答疑地点答疑地点:16教学楼一层西侧教学楼一层西侧120联系电话联系电话:27406912Email:本讲稿第二页，共四十一页疲劳破坏疲劳破坏交变载荷下材料的疲交变载荷下材料的疲劳破坏劳破坏本讲稿第三页，共四十一页问题问题1 1、什么是疲劳破坏？有何特征？、什么是疲劳破坏？有何特征？2 2、循环特征、疲劳极限？、循环特征、疲劳极限？3 3、影响疲劳极限的因素有哪些？、影响疲劳极限的因素有哪些？本讲稿第四页，共四十一页在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替变化的应在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替变化的应力，这种应力称为力，这种应力称为交变
2、应力交变应力。构件产生交变应力的原因构件产生交变应力的原因有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的变化；有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的变化；有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在旋转。有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在旋转。火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分析应火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分析应力随时间作交替变化的过程。力随时间作交替变化的过程。10-1 交变应力的概念交变应力的概念本讲稿第五页，共四十一页车轴每旋转一周，车轴每旋转一周，A点的应力就重复变化一次，称为点的应力就重复变化一次，称为一个应一个应力循环力循环，随着车轴的不停地旋转
3、，应力作周期性的变化。，随着车轴的不停地旋转，应力作周期性的变化。本讲稿第六页，共四十一页单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性本讲稿第七页，共四十一页疲劳破坏疲劳破坏在在交变应力作用交变应力作用下构件发生的破坏下构件发生的破坏 据统计，在机械零件失据统计，在机械零件失效中有效中有80%以上属于疲劳以上属于疲劳破破坏。坏。疲劳疲劳破坏发生的断面称为疲劳断口，是破坏发生的断面称为疲劳断口，是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的特征区分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的特征区域。域。疲劳疲劳材料对材料对交变应力抵抗交变应力抵抗力下降的现象。力下降的现象。本讲稿
4、第八页，共四十一页疲劳破坏特点疲劳破坏特点 交交变应变应力引起的疲力引起的疲劳劳失效失效与静与静应应力引起的力引起的强强度失效有本度失效有本质质的区的区别别：1.疲疲劳劳破坏是构件在破坏是构件在工作工作应应力力低于低于强强度极限度极限，甚至低于屈服极，甚至低于屈服极限的情况下突然限的情况下突然发发生的断裂，往生的断裂，往往具有突往具有突发发性。性。2.塑性材料构件也塑性材料构件也呈脆性断裂呈脆性断裂，即使塑性性能，即使塑性性能很好的材料在断裂前也无明很好的材料在断裂前也无明显显的塑性的塑性变变形。形。本讲稿第九页，共四十一页 3.构件的疲劳破坏断口上构件的疲劳破坏断口上有两个明显区域：有两个明
5、显区域：光滑区与粗糙光滑区与粗糙区区，其中粗糙区又称为瞬断区，其中粗糙区又称为瞬断区，断口呈颗粒状。断口呈颗粒状。疲劳破坏有裂纹的发生、扩展疲劳破坏有裂纹的发生、扩展和断裂三个部分。和断裂三个部分。裂纹产生的位置称为裂纹产生的位置称为疲劳源疲劳源或或裂纹源。裂纹源。裂纹扩展但未断裂的区域称为裂纹扩展但未断裂的区域称为扩展区扩展区，通常对应，通常对应光滑区。光滑区。裂纹断裂的区域称为裂纹断裂的区域称为断裂区断裂区，通常对应通常对应粗糙区粗糙区。本讲稿第十页，共四十一页疲劳破坏的过程：疲劳破坏的过程：一般认为是：当交变应力大小一般认为是：当交变应力大小超过一定限度，在构件中应力为超过一定限度，在构
6、件中应力为最大处或材料有缺陷处，材料经最大处或材料有缺陷处，材料经过应力多次交替变化后，首先产过应力多次交替变化后，首先产生细微生细微裂纹源裂纹源。这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐步扩展。这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地变化，裂纹两边在此扩展过程中，随着应力交替地变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研磨，因而形成断面的的材料时分时合，并互相研磨，因而形成断面的光光滑区域滑区域。通常通常光滑区域光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条纹。上还有疏密不等的贝壳状条纹。称为称为疲劳裂纹前沿线疲劳裂纹前沿线。本讲稿第十一页，共四十一页 随着裂纹的不断扩展，构件随着裂纹
7、的不断扩展，构件截面的有效面积不断减小，最后截面的有效面积不断减小，最后当削弱到不能抵抗破坏时，就突当削弱到不能抵抗破坏时，就突然断裂，断面上的粗糙颗粒就是然断裂，断面上的粗糙颗粒就是由于最后的突然断裂而形成的。由于最后的突然断裂而形成的。疲劳破坏原因：疲劳破坏原因：交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的主要原因。主要原因。本讲稿第十二页，共四十一页疲劳破坏过程疲劳破坏过程1.疲劳裂纹形成疲劳裂纹形成（萌生、成核）（萌生、成核）阶段阶段2.裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段微观裂纹扩微观裂纹扩展阶段展阶段宏观裂纹扩宏观裂纹扩展阶段展阶段3.脆性断裂阶段脆性断裂阶
8、段本讲稿第十三页，共四十一页10-2 交变应力的要素交变应力的要素循循环环特征特征（应应力比力比或循或循环环特性）特性）应力循环周期应力循环周期T一个周期变化所需要的时间一个周期变化所需要的时间最大应力最大应力max、最小应力最小应力min 平均平均应应力力m和和应应力幅力幅 a本讲稿第十四页，共四十一页交变应力分类交变应力分类1.对称循环交变应力对称循环交变应力r=-12.非对称循环交变应力非对称循环交变应力r-1脉动循环交变应力脉动循环交变应力r=03.静应力（静载荷）静应力（静载荷）r=1 max(任何交变应力）任何交变应力）=m（静应力）（静应力）+a（对称循环应力）（对称循环应力）本
9、讲稿第十五页，共四十一页10-3 材料的疲劳极限材料的疲劳极限 在交变载荷作用下工作的构件存在一个能继在交变载荷作用下工作的构件存在一个能继续工作多长时间的问题，称为续工作多长时间的问题，称为疲劳寿命疲劳寿命。疲疲劳劳极限或持久极限极限或持久极限试件可经无限次应力循环而不发生疲劳破试件可经无限次应力循环而不发生疲劳破坏，交变应力最大值坏，交变应力最大值 研究研究疲劳寿命疲劳寿命的主要方法有：的主要方法有：应力应力-寿命法。寿命法。S-N法。法。应变应变-寿命法。寿命法。-N法。法。断裂力学法。断裂力学法。S-N法是主要方法，要求零件有无限寿命或法是主要方法，要求零件有无限寿命或很长寿命。适用于
10、低应力幅。很长寿命。适用于低应力幅。本讲稿第十六页，共四十一页疲疲劳劳极限极限测测定方法：定方法：疲劳寿命疲劳寿命N 对称循环条件下，疲劳极限值记为对称循环条件下，疲劳极限值记为-1应力力疲疲劳寿命曲寿命曲线含含义：max-1,试件经历有限试件经历有限次循环就破坏次循环就破坏max-1,试件经历试件经历无限次循环而不发生无限次循环而不发生破坏破坏max=-1,r=-1时材时材料的疲劳极限料的疲劳极限本讲稿第十七页，共四十一页一般地，一般地，N0=107 “条件条件”疲疲劳劳极限极限对于有色金属曲线无明显趋近于水平直线，这对于有色金属曲线无明显趋近于水平直线，这时可以规定一个循环次数时可以规定一
11、个循环次数N0=107实践证明：实践证明：疲疲劳劳极限极限-1与材料的抗拉与材料的抗拉强强度有一度有一定关系。定关系。如：如：对于钢，对于钢，-1约为约为0.5 b。对于灰铸铁，对于灰铸铁，-1约为约为0.42 b。对于球墨铸铁，对于球墨铸铁，-1约为约为0.48 b。对于铝合金，对于铝合金，-1约为约为0.3 0.35 b。本讲稿第十八页，共四十一页测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机本讲稿第十九页，共四十一页耐久性试验包括：耐久性试验包括：拉压。拉压。弯曲弯曲扭转扭转 实践证明：弯曲实践证明：弯曲疲疲劳劳极限（极限（-
12、1）b、扭转扭转疲疲劳劳极限极限-1以及拉压以及拉压疲疲劳劳极限极限-1之间有如下近似线性之间有如下近似线性关系。关系。对于钢，对于钢，（-1）b=0.85-1。-1=0.55-1。对铸铁，对铸铁，（-1）b=0.65-1。-1=0.90-1。本讲稿第二十页，共四十一页 同一种基本变形形式下的持久极限以对称同一种基本变形形式下的持久极限以对称循环是的持久极限为最低。循环是的持久极限为最低。疲劳图线疲劳图线所以，以所以，以对称对称循环交变应力循环交变应力下的持久极限下的持久极限作为材料在交作为材料在交变应力下的主变应力下的主要强度指标。要强度指标。本讲稿第二十一页，共四十一页10-4 构件的疲劳
13、极限构件的疲劳极限 影响构件疲劳极限的因素影响构件疲劳极限的因素应力集中应力集中构件尺寸构件尺寸构件表面加工质量构件表面加工质量 在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构件在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响分的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限，别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限，得到构件的疲劳极限。得到构件的疲劳极限。本讲稿第二十二页，共四十一页1、构件外形的影响、构件外形的影响 由于结构与工艺的要求，工程构件的形状与光滑由于结构与工艺的要求，工程构件的形状与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键槽、轴肩、横
14、试件有很大的差异，如传动轴上会有键槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将会引起应力集中，在孔等。构件此种外形的变化，将会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易形成疲劳裂纹，使构件的疲应力集中的局部区域较易形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材料的疲劳极限劳极限显著低于材料的疲劳极限。本讲稿第二十三页，共四十一页有效应力集中系数有效应力集中系数 拉压时拉压时本讲稿第二十四页，共四十一页扭转时扭转时本讲稿第二十五页，共四十一页弯曲时弯曲时本讲稿第二十六页，共四十一页本讲稿第二十七页，共四十一页本讲稿第二十八页，共四十一页2、构件尺寸的影响、构件尺寸的影响试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低试验
15、表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低 本讲稿第二十九页，共四十一页本讲稿第三十页，共四十一页本讲稿第三十一页，共四十一页3、构件表面加工质量的影响、构件表面加工质量的影响 不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极限产生影响。不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极限产生影响。一般说来，构件表面质量较好时，其疲劳极限较高；反之，一般说来，构件表面质量较好时，其疲劳极限较高；反之，疲劳极限较低。疲劳极限较低。本讲稿第三十二页，共四十一页本讲稿第三十三页，共四十一页 除上述三种影响因素之外，还有除上述三种影响因素之外，还有一些因素对构件的疲劳极限也有影响，一些因素对构件的疲劳极限也有影响，如腐蚀、高温等。这些因
16、素的影响，如腐蚀、高温等。这些因素的影响，也可引用一些修正系数予以考虑，其也可引用一些修正系数予以考虑，其数值可以由设计手册中查到数值可以由设计手册中查到 本讲稿第三十四页，共四十一页构件的疲劳极限构件的疲劳极限 对对于于对对称循称循环环，若材料的疲，若材料的疲劳劳极限极限为为则则构件的疲构件的疲劳劳极限极限 上式中上式中K（K）是是综综合影响系数。合影响系数。在综合影响系数中考在综合影响系数中考虑的因素有构件形状，尺寸及表面质量等虑的因素有构件形状，尺寸及表面质量等 本讲稿第三十五页，共四十一页10-5 对称循环疲劳强度设计对称循环疲劳强度设计疲劳强度条件也可以用安全系数表示疲劳强度条件也可
17、以用安全系数表示 构件疲劳强度计算的三类问题构件疲劳强度计算的三类问题1.疲劳强度校核，疲劳强度校核，2.截面设计截面设计3.许用载荷计算许用载荷计算本讲稿第三十六页，共四十一页10-6、提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施为了降低构件的应力集中，构件的形状设计中要尽量避免出为了降低构件的应力集中，构件的形状设计中要尽量避免出现带有尖角的孔和槽。在截面尺寸的过渡处（如阶梯轴的轴现带有尖角的孔和槽。在截面尺寸的过渡处（如阶梯轴的轴肩处），要采用半径尽可能大的过渡圆角。如果由于结构上肩处），要采用半径尽可能大的过渡圆角。如果由于结构上的原因，无法加大过渡圆角半径时，须在直径较大的轴段上的原
18、因，无法加大过渡圆角半径时，须在直径较大的轴段上加开减荷槽或退刀槽。在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，加开减荷槽或退刀槽。在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常会产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开减荷槽，通常会产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开减荷槽，并将配合轴径适当加粗。并将配合轴径适当加粗。一、降低应力集中一、降低应力集中本讲稿第三十七页，共四十一页本讲稿第三十八页，共四十一页 利用间隔环加大过渡圆弧利用间隔环加大过渡圆弧卸荷槽，退刀槽卸荷槽，退刀槽力流线力流线本讲稿第三十九页，共四十一页 1.降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求较高的构降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求较高的构件，应设
19、法降低其表面的粗糙度，使具有较高的光洁件，应设法降低其表面的粗糙度，使具有较高的光洁度，对高强度钢尤其如此，此外在装配及使用过程中，度，对高强度钢尤其如此，此外在装配及使用过程中，也应严防对构件表面的机械损伤或化学损伤。也应严防对构件表面的机械损伤或化学损伤。2.提高表面层的强度。前已述及，对于工作应力较提高表面层的强度。前已述及，对于工作应力较大的表面，宜采用某些工艺措施，设法提高表面强度、大的表面，宜采用某些工艺措施，设法提高表面强度、提高表面质量系数，达到提高疲劳强度的效果。但要提高表面质量系数，达到提高疲劳强度的效果。但要严格控制工艺过程，避免在提高表面层强度的同时，严格控制工艺过程，避免在提高表面层强度的同时，产生损伤表面、降低疲劳强度的事故。产生损伤表面、降低疲劳强度的事故。二、提高表面质量二、提高表面质量本讲稿第四十页，共四十一页作业作业习题：p441 21-1(b)、21-4本讲稿第四十一页，共四十一页