疲劳与断裂第二章的PPT课件

1、1 2 应力疲劳应力疲劳: Smax104， 也称也称高周疲劳高周疲劳。 应变疲劳应变疲劳: SmaxSy， Nf104， 也称也称低周低周应变应变疲劳。疲劳。 应力水平（应力水平（S）用）用R和和Sa描述。描述。 寿命（寿命（N）为到破坏的循环次数。）为到破坏的循环次数。 研究裂纹萌生寿命，研究裂纹萌生寿命，“破坏破坏”定义为：定义为： 1.标准小尺寸试件断裂。标准小尺寸试件断裂。 脆性材料脆性材料 2.出现可见小裂纹出现可见小裂纹, 或可测的应变降。延性材料或可测的应变降。延性材料 应力应力 s s 应变应变 e e Sy o 3 用一组标准试件，在用一组标准试件，在R=-1下，下， 施加

2、不同的施加不同的Sa，进行疲劳试，进行疲劳试 验，可得到验，可得到S-N曲线。曲线。 S 103104105106107 N f SN 4 S 103104105106107 N f SN Sf 5 m与与C是与材料、应力比、加载方式等是与材料、应力比、加载方式等 有关的参数。有关的参数。 二边取对数，有二边取对数，有: lg S=A+B lgN S-N间有间有对数线性对数线性关系；关系； 参数参数 A=LgC/m, B=-1/m。 Lg S 34567 Lg N Sf 6 考虑疲劳极限考虑疲劳极限S Sf f，且当，且当S S趋近于趋近于S Sf f时，时，N N。 二边取对数后成为：二边取

3、对数后成为： S=A+B lg N （半对数线性关系）（半对数线性关系） S 34567 Lg N Sf 7 500 50010001500 200 800 0 0 AB 旋旋 转转 弯弯 曲曲 疲疲 劳劳 极极 限限 S MPa f f 材料极限强度材料极限强度 S MPa u S /S =0.5S /S =0.5 fu S =700S =700 f f 8 9 ( (供初步设计参考供初步设计参考) ) Lg S 34567Lg N120 Su Sf 10 S t R=-1 R=-1/3 R=0 Sm Sa不变不变，R or Sm ；N ； N不变不变，R or Sm ；SN ; S N S

4、m0 a R增大 11 S S-1 a Su Sm N=10 4 N=107 Sa/S-1 1 0 1 Sm/Su N=107 Haigh 图 如图，在等寿命线上，如图，在等寿命线上， Sm ，Sa ； Sm Su。 Haigh图图: (无量纲形式无量纲形式) N=107, 当当Sm=0时，时，Sa=S-1； 当当Sa=0时，时，Sm=Su。 Gerber Goodman 12 2. ： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本若基本S-N曲线用幂函数式曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.

5、5361025 13 4. 对称循环对称循环(Sa=568.4, Sm=0)条件下的寿命，可条件下的寿命，可 由基本由基本S-N曲线得到，即曲线得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105 (次次) 3. 利用基本利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工曲线估计疲劳寿命，需将实际工 作循环应力水平作循环应力水平, 为对称循环下的应为对称循环下的应 力水平力水平Sa(R=-1)，由，由Goodman方程有：方程有： (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出：可解出： Sa(R=-1)=568.4 MPa 14 S-1 -1 A S Sa OSu

6、m B C -1 R=0 R= R=1 D 且有：且有： k=1 (45 线线)时，时， Sm=Sa， R=0; k= (90 线 线)时，时， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0 线 线) 时，时， Sa=0， R=1; k h 作作 DC OA ，DC是是R的坐标线，的坐标线，？ 15 S-1 -1 A S Sa OSu m B C -1 R=0 R= R=1 D h 16 对任一点对任一点A，有，有 Sin =Sa/OA, cos =Sm/OA 由由 AOC可知：可知： S1=OC=OASin(45 - ) =( )OA(Sm-Sa)/OA =( )Smin 2/2 2/2 A S

7、S-1 0 C S D S 2 -101 R Sa Sm 1 u 17 R R -.6-.4-.20.2.4.6.81.0 600 400 200 -400-2000200400600 200 400 600 200 400 S /MPa mS /MPa a S S /MPa min S S /MPa max S S /MPa max 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图铝合金等寿命疲劳图 600 400 200 N=106 N=105 N=104 N=107 N=104, R=0.2 Sm=330 Sa=220 Smax=550 Smin=110 18 R R -.6-.4-.

8、20.2.4.6.81.0 600 400 200 -400-2000200400600 200 400 600 200 400 S /MPa mS /MPa a S S /MPa min S S /MPa max S S /MPa max 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图铝合金等寿命疲劳图 600 400 200 N=106 N=105 N=104 N=107 R=0.2 N=104, Sa=220, lgSa=2.342 N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.11

9、4 Lg S 34567 Lg N 2.1 2.2 2.3 19 SmaxSmax d d D D 弯 曲拉 伸 载荷、尺寸不同时的 高应力区域体积 拉弯 疲劳破坏主要取决于疲劳破坏主要取决于 作用应力的大小和材料抵作用应力的大小和材料抵 抗疲劳破坏的能力。抗疲劳破坏的能力。 20 21 40070010001300 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 表表 面面 光光 洁洁 度度 系系 数数 抗拉强度抗拉强度 (Mpa) 镜面抛光 精磨 热轧 锻造 盐水腐蚀 机械加工 22 23 10104 410105 510106 610107 7 N S 500500 400400 30030

10、0 200200 150150 镀镍+喷丸 喷丸+镀镍 基材 镀镍 镀镍、喷丸对疲劳性能的影响镀镍、喷丸对疲劳性能的影响 24 25 拉伸平均应力拉伸平均应力 大截面尺寸大截面尺寸 表面粗造表面粗造 镀铬和镀镍镀铬和镀镍 锻造或热轧脱碳锻造或热轧脱碳 26 渗氮渗氮 硬化处理硬化处理 碳化（渗碳）碳化（渗碳） 喷丸喷丸 冷轧冷轧 27 再见！谢谢！ 28 29 实际零构件实际零构件 缺口缺口 应力集中应力集中 疲劳性能下降。疲劳性能下降。 30 31 32 典型载荷块典型载荷块：“100100起落起落”， “万公里万公里”，“年年”等。等。 。 S N(起落次数起落次数) 100200 某飞机

11、主轮毂实测载荷谱 滑行滑行 滑行 拐弯拐弯 着陆着陆 载荷谱分实测谱和设计谱。载荷谱分实测谱和设计谱。 设计寿命期内的设计寿命期内的 载荷总谱载荷总谱。 S S1 S2 S3 0 n 33 n D 0 n1 D1 N 1 34 35 ABAB 36 确定载荷谱，选取拟用的应力水平；确定载荷谱，选取拟用的应力水平； 选用适合构件使用的选用适合构件使用的S-NS-N曲线；曲线； 计算在应力水平计算在应力水平Si下循环下循环ni次的损伤：次的损伤： Di=ni/Ni； 计算总损伤计算总损伤 D= ni/Ni； 若若D1，则应降低应力水平或缩短使用寿命。，则应降低应力水平或缩短使用寿命。 37 解解：

12、 假定载荷假定载荷P时的应力水平为时的应力水平为Si=200MPa。 由由S-N曲线得到曲线得到Ni, 计算损伤计算损伤Di，列入表中。，列入表中。 可知，若取可知，若取S=200MPa, D=1.751,发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。 再取再取S=150MPa, 算得：算得： D=0.981, 可达设计寿命。可达设计寿命。 载荷载荷Pi ni(106) P 0.05 0.8P 0.1 0.6P 0.5 0.4P 5.0 总损伤总损伤 D= Di= ni/Ni=1.75 Si (MPa) 200 160 120 80 Di=ni/Ni 0.080 0.102 0.288 1.280 Ni (10

13、6) 0.625 0.976 1.736 3.306 150 120 90 60 1.111 1.736 3.086 6.944 0.045 0.058 0.162 0.719 0.98 38 39 设设由使用经验知由使用经验知构件在构件在B谱下的寿命为谱下的寿命为NB，则：，则： Nn NQ BiiBB () Dn N ii Nn NQ AiiAA () 待求的另一相似构件待求的另一相似构件在在A谱下的寿命为谱下的寿命为NA，又有：，又有： 40 ： 1.1.是构件相似，主要是疲劳破坏发生的高应力区是构件相似，主要是疲劳破坏发生的高应力区 几何相似；几何相似； 2.2.载荷谱相似，主要是载荷

14、谱型（次序）相似，载荷谱相似，主要是载荷谱型（次序）相似， 载荷大小可以不同。载荷大小可以不同。 NQn NNn Nn N AAABBA ()( / ) /( / ) 许多许多改进设计，改进设计，可以可以借鉴过去原型的使用经验；借鉴过去原型的使用经验； 间接考虑了间接考虑了载荷谱型、作用次序及材料分散性的载荷谱型、作用次序及材料分散性的 影响；影响；故相对故相对MinerMiner理论预测精度好，应用广泛。理论预测精度好，应用广泛。 41 42 43 44 恒幅载荷恒幅载荷随机载荷谱？随机载荷谱？变幅载荷变幅载荷 Miner 计数法计数法 载荷载荷 0 t 正变程正变程 负变程负变程 峰峰 谷

15、谷 相邻峰、谷点载荷值之差。有正、负变程相邻峰、谷点载荷值之差。有正、负变程 斜率改变符号斜率改变符号 之处。之处。 45 46 S t0 典型谱段典型谱段 雨流计数法雨流计数法 要求典型段要求典型段 从从最大峰或最大峰或 谷处起止。谷处起止。 0 1 1 22 雨流计数典型段雨流计数典型段 不失一般性。不失一般性。 47 A B C D E F G H I J A 0 2 4 -2 -4 t S A B C D E F G H I J A 024-2-4S 第一次雨流第一次雨流 B C E F G H I J E 024-2-4S B 第二次雨流第二次雨流 F G I J 024-2-4 第

16、三次雨流第三次雨流 F I 记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出 S, Sm。 删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。 48 A B C D E F G H I J A 024-2-4S 第一次雨流第一次雨流 B C E F G H I J E 024-2-4S B 第二次雨流第二次雨流 F G I J 024-2-4 第三次雨流第三次雨流 F I 雨流计数结果雨流计数结果 循环循环变程变程 均值均值 EHE70.5 BCB4 1 ADA9 0.5 FGF3-0.5 IJI2 -1 雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。 典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。 49 若转换时若转换时 R不变，不变， N1、N2可用相同的可用相同的S-N曲线曲线 SmN=C 表示时，表示时，等损伤转换条