第8章钢结构的脆性断裂和疲劳(2011)课件.ppt

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1、第八章大纲要求1.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。钢材在循环荷载（连续反复荷载）作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，经过有限次循环，直到最后破坏，此现象称为疲劳.按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳(n≥5×104）和低周疲劳（n=102～5×104）两类.引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型，一种为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应力，简称循环应力；一种为变幅交变荷载，引起的应力称为变幅循环应力，简称变幅应力。由这两种荷载引起的疲劳分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。转动的机械零件常发生常幅疲劳破坏;吊车桥、钢桥等则主要是变幅疲劳破坏。疲劳破坏的机理：疲劳

2、破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。疲劳破坏的特征：属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。疲劳破坏均具有以下特征：(1)疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。但与一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。其破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。(2)疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。裂纹扩展区表面较光滑，常可见到放射和年轮状花纹，这是疲劳断裂的主要断口特征。根

3、据断裂力学的解释，只有当裂纹扩展到临界尺寸，发生失稳扩展后才形成瞬间断裂区，出现人字纹或晶粒状脆性断口。(3)疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生和扩展。一、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP1A1A1-1（1）应力循环--构件截面应力随时间的变化。（2）应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:(210)+σmaxmin常幅循环：为常量t变幅循环：为变量-σ（3）应力循环特征—应力比ρmin(29)

4、1(211)max(a)完全对称循环(b)脉冲循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环5.影响钢材疲劳的主要因素由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。（1）构件和连接的分类材料内部缺陷缺陷构造缺陷应力集中残余应力（焊接，火焰切割，轧制边）（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）ffyyfyfyffyy对于焊接结构：应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。（3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力幅越低，则作用循环次数fy就越多，

5、即疲劳寿命越高。12bN1N20123456NX105应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。（一）常幅疲劳的疲劳强度计算一.对于非焊接结构和轧制钢材在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。(拉）max当ρ=0和ρ=-1时的疲劳0强度分别为σ0和σ-1，连fyD接BC并延长至A、D。1C(o,o)1B(1,1)Ami（n压）mi（n拉）非焊接结构的疲劳图(拉）max0当坐标为(max,min)fDy的点落在直线ABCD上1C(o,o)1或

6、上方，则这组应力循B(1,1)环达到N次时，将发生Ami（n压）mi（n拉）疲劳破坏。非焊接结构的疲劳图ABCD直线方程为：k(212)maxmino(拉）max(1k)(213)0maxofDy式中：1C(o,o)1B(1,1)o1mink,A1maxmi（n压）mi（n拉）非焊接结构的疲劳图K---与构造形式有关的系数,由试验确定.由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。二、对于焊接结构焊接结

7、构的焊缝(包括其附近的主体金属)因容易产生缺陷，常是疲劳破坏可能产生裂源的主要部位，而这些部位一般又存在着数值可高达钢材屈服点fy的残余拉应力，它改变了该部位的实际应力状态，而与名义应力有很大差别。图11-3残余应力对焊接构件应力波动和循环的影响如图(a)所示焊接工字形截面，其翼缘的残余应力分布简化图形如图(b)的几条直线，在焊缝处的σ=fY。若此时在翼缘上施加一循环荷载(现设为脉冲拉应力循环荷载，图(f)为其名义循环应力谱，其名义最大应力、名义最小应力和应力幅分别为σmax=σ、σmin=0和Δσ=σmax一σm