疲劳强度与断裂

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1、8疲劳强度与断裂第八章疲劳强度与断裂材料在交变载荷作用一定时间后失效的现象称为疲劳。大多数构件在使用条件下承受交变载荷，这对飞机、车辆的发动机、轴承、齿轮等是显而易见的。就连桥梁、建筑物等一些静止的构件，如果考虑汽车在桥梁上或建筑物旁行驶，或者长时间内若干次地震的作用，它们也承受随时间变化的交变载荷。可见交变载荷是十分普遍的，疲劳是最常见的失效形式。据统计，飞机、汽车的85％以上零部件破坏都属于疲劳。另一方面，疲劳断裂可以在远低于抗拉强度、甚至在远低于屈服强度的应力下发生，由于疲劳断裂前不发生明显塑性变形，故疲劳破坏通常属于脆性断裂，具有一定危险性。固此，材料和

2、疲劳性能、规律及机制一直是材料力学性能领域中最重要的研究课题之一。疲劳破坏以许多不同的形式出现，包括仅有外加应力或应变被动的机械疲劳；循环载荷同高温联合作用引起的蠕变一疲劳；循环受载荷部件温度也变动时的热机械疲劳；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之间的滑动和滚动接触物结合分别产生的滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；脉动应力与表面向的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳；等等。本章讨论只限于由应力或应变波动造成的机械疲劳方面。由于疲劳问题的复杂性，内容十分庞杂，我们只能对疲劳问题的各方面作概要性介绍，特别是对那些

3、在本科生课程―材料力学能‖中已学习过的内容更是只作简略描述和回顾，而把主要注意力放在一些较新的内容方面。8.1疲劳的基本概念8.1.1疲劳应力图8-1疲劳应力大小或大小与方向随时间而改变的应力称为疲劳应力，疲劳应力大致可分为两类，如图8-1所示，其中应力幅疲劳应力（图8-1a）；反之则称为变幅疲劳应力或称随机疲劳（图8-1b）。随机疲劳在工程上用载荷谱表示，但通常对材料疲劳行为研究及疲劳性能评价时，大多采用由同期性交变载荷产生的等幅疲劳应力来分析。等幅疲劳应力一般用如下三个参数来描述（参见图8-1）：①应力半幅?a?12(?max??min)（8.1-1）12(

4、?max??min)（8.1-2）②应力中值(平均应力)?m?③应力比R??mimax应力比R表证了等幅疲劳应力的循环特性。例如，R=-1，即?a??max?min时，为对称交变应力，旋转轴类即属于这种应力循环类型；R=0，即?min=0,?a?12?max??m，称为脉动拉伸，齿轮齿根部位属于这类应力循环；R为其它数值时，称为非对称循环应力。图8-2循环应力对称度的比较要综合考虑σa、σm和R三个疲劳应力参数，才能判断疲劳应力的强弱程度。如图8-2所，在σmax相同的情况下，当应力循环非对称度愈大时（曲线１）则应力中值σm愈大，σa将愈小，此时表示交变幅度占最

5、大应力的比例愈小，因此对材料的疲劳损害也愈小。反之，若应力循环非对称度变小（曲线2），则σm变小，σa增大，这对材料的疲劳损害将增大。8.1.2疲劳曲线1、典型疲劳曲线大量实验证明，所加疲劳载荷与破断前循环周以N方向有下列关系：σ?N=常数；或?σ(N)m=常数（8.1-4）式中，a和m是材料参数，?σ=2σa以上式中看出，施加的疲劳应力σ越大，则寿命Ｎ将越短。反之则越长。如果将σ-N建立如图hler所首创，故又8-3所示的曲线，简称S-N曲线（Stress-Number）。由于该曲线为德国科学家wohler曲线。图8-3所示有两种类型的S-N曲线，一种是在N达

6、到某一定周次后出现水平可称为woa段，即在与水平段所对应的疲劳应力σ下，试样将不断裂而具有无限寿命，因此把此应力称为疲劳极限，用σ-1表示（又称疲劳强度），属于此类S-N曲线的材料有碳钢、合金钢、铸铁等；但对有色金属及合金、超高强度钢以及在高温和腐蚀介质中承受疲劳应力的所有材料，其S-N曲线不出现水平段（图8-3中b曲线）。对于这类材料，一般是根据技术条件要求，规定N为某一周次时如107或108以不破断的应力作为条件疲劳极限，或称有限寿命疲劳曲线。图8-3一般疲劳曲线2、疲劳曲线全图一般S-N曲线都是从5×105周次开始。要仔细研究1～104周次的疲劳行为，普通

7、的疲劳试验机就不能适用，因其周期应力频率太高，而必须采用特殊的低周疲劳试验机。当疲劳试验在低周次范围内进行时，发现疲劳曲线上出现不连续性，可分为几个区域。图8-4示意性地表示了在对称交变载荷及脉动拉伸载荷两种情况下的疲劳曲线全图。在对称载荷情况下，可分为准静断、低周疲劳和高周疲劳三个区域；在脉动拉伸情况下，可分为动态蠕变、低周疲劳和高周疲劳三个区域。C点的位置约在10周次，D点的位置约在10周次。45图8-4S-N曲线区域划分3、P-S-N曲线疲劳试验结果不可避免地存在分散性，疲劳寿命Nf疲劳极限σ-1都是一种统计性的量。一般来说，光滑试样试验数据的分散性较缺口

8、试样为大；高强度材料的数