疲劳与断裂应力疲劳课件.ppt

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1、第二章应力疲劳2.1S-N曲线2.2平均应力的影响2.3影响疲劳性能的若干因素2.4缺口疲劳2.5变幅载荷谱下的疲劳寿命2.6随机谱与循环计数法1应力疲劳:Smax104，也称高周疲劳。应变疲劳:Smax>Sy，Nf<104，也称低周应变疲劳。应力水平（S）用R和Sa描述。寿命（N）为到破坏的循环次数。研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。脆性材料2.出现可见小裂纹,或可测的应变降。延性材料应力s应变eSyo2.1S-N曲线2R=-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线，是材料的基本疲劳性能曲线。基本

2、S-N曲线：1.一般形状及特性值用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度。S103104105106107NfSN疲劳强度(fatiguestrength)SN：3“无穷大”一般被定义为：钢材，107次循环；焊接件，2×106次循环；有色金属，108次循环。S103104105106107NfSNSf疲劳极限(endurancelimit)Sf：寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S

3、-1.满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。42.S-N曲线的数学表达1)幂函数式Sm.N=Cm与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。二边取对数，有:lgS=A+BlgNS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSf5考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N。2)指数式ems.N=C二边取对数后成为：S=A+BlgN（半对数线性关系）最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于N>103-104。S34567LgNSf3)三参数式(S-Sf)m.N=C63.S-N曲线的近似估计斜线OA+水平线AB

4、R=-1，旋转弯曲时有：Sf(bending)=0.5Su(Su<1400MPa)分散在(0.3-0.6)Su间Sf(bending)=700MPa(Su>1400MPa)1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系500500100015002008000AB旋转弯曲疲劳极限SMPaf材料极限强度SMPauS/S=0.5fuS=700f常用金属材料数据图7轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su实验在(0.3-0.45)Su之间高强脆性材料，极限强度Su取为b；延性材料,Su取为

5、ys。扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su实验在(0.25-0.3)Su之间注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的。8故由S-N曲线有：(0.9Su)m×103=(kSu)m×106=C参数为：m=3/lg(0.9/k)；C=(0.9Su)m×103假定1：寿命N=103时，有：S103=0.9Su；高周疲劳：N>103。已知Sf和Su,S-N曲线用Sm.N=C表达。假定2：寿命N=106时，S106=Sf=kSu,如弯曲时，k=0.5。2)无实验数据时S-N曲

6、线的估计(供初步设计参考)LgS34567LgN120SuSf9StR=-1R=-1/3R=0SmR，Sm；且有：Sm=(1+R)Sa/(1-R)R的影响Sm的影响Sm>0,对疲劳有不利的影响；Sm<0,压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命。2.2平均应力的影响1)一般趋势Sa不变，RorSm；N；N不变，RorSm；SN;SNSm<0Sm=0Sm>0aR增大102）Sa-Sm关系如图，在等寿命线上，Sm，Sa；SmSu。Haigh图:(无量纲形式)N=107,当Sm=0时，S

7、a=S-1；当Sa=0时，Sm=Su。对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(R=-1)即可。利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计不同Sm下的Sa或SN。Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=111解：1.工作循环应力幅和平均应力：Sa=(Smax-Smin)/2=360MPaSm=(Smax+Smin)/2=440MPa例2.1:构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa,Smin=80MPa。若已知材料的极限强度为Su=1200MPa，试估算其疲劳寿命。2

8、.估计对称循环下的基本S-N曲线：Sf(tension)=0.35Su=420MPa若基本S-N曲线用幂函数式SmN=C表达，则m=3/lg(0.9/k)=7.314；C=(0.9Su)m×1