材料的疲劳特性PPT学习教案

1、会计学1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性PPT课件课件 变应力的特征参数变应力的特征参数 平均应力平均应力 应力幅应力幅 循环特征（应力比）循环特征（应力比） 2 minmax m 2 minmax a max min r 稳定循稳定循 环变应环变应 力力 非稳定循非稳定循 环变应力环变应力 随机性非稳随机性非稳 定变应力定变应力 规律性非稳规律性非稳 定变应力定变应力 变应力的种类变应力的种类 对称循环变应力对称循环变应力 脉动循环变应力脉动循环变应力 非对称循环变应力非对称循环变应力 第1页/共24页 max=min a=0 m=max r= +1 max max min 2 1 0 ma

2、r = 0 max= -min=a min 0 minmax m a r= -1 a a max min m 2 2 minmax minmax m a am -1 r1 静应力静应力脉动循脉动循 环变应环变应 力力 对称循环对称循环 变应力变应力 任意不对称任意不对称 循环变应力循环变应力 min=0 t 0 a m=a a m=0 第2页/共24页 A B C D max N 次疲劳区 次疲劳区 低周疲劳 区 （应变疲劳应变疲劳） 低周疲劳 区 N=104 高周疲劳区 （应力疲劳）（应力疲劳） 高周疲劳 区 N=106 ） 特点：应力水平高，循环次数少。材料因特点：应力水平高，循环次数少。

3、材料因 应变疲劳而破坏，应变疲劳而破坏，用许用应变值来控制用许用应变值来控制 特点：应力水平低，循环次数多。材料因特点：应力水平低，循环次数多。材料因 应力疲劳而破坏，应力疲劳而破坏，用许用应力值来控制用许用应力值来控制 特点：应力水平低于某一特点：应力水平低于某一 数值，裂纹停止扩展。数值，裂纹停止扩展。 第3页/共24页 N 有限寿命 区 无限寿命区 (循环基数) 疲劳曲线方程（当疲劳曲线方程（当NN0时）时） CNN m r m rN 0 m、C为试验常 数 rNr m rN k N N 0 N rN N0 r r NC 有限寿命疲有限寿命疲 劳极限劳极限 持久疲劳极持久疲劳极 限限 疲

4、劳极限疲劳极限 寿命系数 ： Nc是对应于材料疲劳曲线转折点的应力循环次数，而循环基数N是人 为规定的一个循环次数。设计手册中的N，可能等于Nc，也可能不等于Nc，这是 查手册时应当弄清楚的，不要把二者弄混淆了。 疲劳曲线（疲劳曲线（N 曲线）曲线） 疲劳曲线是用一批标准试件进行疲 劳实验并用统计处理的方法得到的 。即以规定的循环特征r的变应力（ 通常取通常取r =- -1)加于标准试件，经过N 次循环后不发生疲劳破坏时的最大 应力称为疲劳极限应力rN。通过实 验，可以得到不同的rN时相应的循 环次数N，将结果绘制成疲劳曲线， 即-N曲线。 第4页/共24页 材料不同，疲劳曲线不同：材料不同，

5、疲劳曲线不同： 同样的材料，循环特性不同，同样的材料，循环特性不同， 疲劳曲线不同：疲劳曲线不同： 可靠度不同，疲劳曲线不同：可靠度不同，疲劳曲线不同： 通常，未加说明的疲劳曲线，均指循环特性通常，未加说明的疲劳曲线，均指循环特性 r = -1= -1、可靠度、可靠度R=50%=50%的疲劳曲线。的疲劳曲线。 第5页/共24页 O A A a m B S B B S 4 5 4 5 曲线曲线AC上方区域上方区域 内坐标点所对应的最内坐标点所对应的最 大应力值，都超过材大应力值，都超过材 料的疲劳极限。料的疲劳极限。 曲线曲线AC下方区下方区 域内坐标点所对域内坐标点所对 应的最大应力值应的最大

6、应力值 ，均低于材料的，均低于材料的 疲劳极限。疲劳极限。 C C 1.1.疲劳极限应力图疲劳极限应力图疲劳寿命一定时，应力比疲劳寿命一定时，应力比r不同，材料的疲劳极限不同，材料的疲劳极限rN亦不亦不 同，它们之间的关系可用平均应力同，它们之间的关系可用平均应力（ rm ）和应力幅和应力幅（ ra ）绘成的曲线图表示。绘成的曲线图表示。 0/2 0/2 对称循环对称循环 应力点应力点 静应力点（脆静应力点（脆 性材料）性材料） 脉动循环脉动循环 应力点应力点 静应力点（静应力点（ 塑性材料）塑性材料） rm m ra a 1 曲线曲线AC上任一坐标上任一坐标 点的变应力值代表材点的变应力值代

7、表材 料在某一循环特性下料在某一循环特性下 的疲劳极限。的疲劳极限。 rrmra maxSrmra max 第6页/共24页 O A A a m S SC C B B 45 45 E E 直线直线ES ES 段方程段方程 ramrS 直线直线AE AE 段方程段方程 （用两点式求出）（用两点式求出） tan 2 0 01 rmra 1 等效系数，等效系数， 取值见表取值见表 0/2, 0/2 0, 1 有关扭转（剪应力）的简有关扭转（剪应力）的简 化疲劳曲线方程及当量应化疲劳曲线方程及当量应 力幅计算式可仿照正应力力幅计算式可仿照正应力 方法确定。方法确定。 rmra 0 01 1 2 工程上

8、为计算方便，用折线工程上为计算方便，用折线 AESAES近似代替曲线近似代替曲线ABCABC。即折线上。即折线上 任意点的坐标任意点的坐标（rm、ra）代表某一循环特代表某一循环特 性下的疲劳极限。性下的疲劳极限。 由上式可看出，非对称变应力可以转化由上式可看出，非对称变应力可以转化 为对称循环疲劳极限为对称循环疲劳极限-1。由此推论：。由此推论： ma av 第7页/共24页 1 1 应力集中的影响应力集中的影响 零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会 产生应力集中，使局部应力大于公称应力。以疲劳缺口系

9、数产生应力集中，使局部应力大于公称应力。以疲劳缺口系数k （或（或k ）考虑）考虑 其对零件疲劳极限的影响。其对零件疲劳极限的影响。 几种典型机械零件的几种典型机械零件的k 、k 值附录表值附录表。 2 2 尺寸效应尺寸效应 零件尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大，疲劳强度就越低。零件尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大，疲劳强度就越低。 以尺寸系数以尺寸系数 （或（或 ）考虑其对零件疲劳极限的影响。）考虑其对零件疲劳极限的影响。 钢制零件的钢制零件的 、 值见值见附录表附录表。 3 3 表面状态的影响表面状态的影响 指零件表面粗糙度、表面强化的工艺效果及工作环境对零件疲

10、劳极限的影指零件表面粗糙度、表面强化的工艺效果及工作环境对零件疲劳极限的影 响。响。 以表面状态系数以表面状态系数 考虑其影响。考虑其影响。 各种表面状态的各种表面状态的 值见值见附录表。附录表。 第8页/共24页 1 应力集中的影响：应力集中的影响：以疲劳缺口系数以疲劳缺口系数k （或（或k ）考虑其对零件疲劳极限的影响。）考虑其对零件疲劳极限的影响。 2 尺寸的影响：尺寸的影响：以尺寸系数以尺寸系数 （或（或 ）考虑其对零件疲劳极限的影响。）考虑其对零件疲劳极限的影响。 3 表面状态的影响：表面状态的影响：以表面状态系数以表面状态系数 考虑其影响。考虑其影响。 4 4 综合影响系数综合影响

11、系数 以上三个因素只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显影响。因此，为以上三个因素只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显影响。因此，为 简化计算，将三个系数综合为一个系数，称综合影响系数简化计算，将三个系数综合为一个系数，称综合影响系数( (k ) )D D或或( (k ) )D D。即。即 k k k k D D 第9页/共24页 对称循环下，疲劳强度条件式是：对称循环下，疲劳强度条件式是： S 1 1max 规定的安全系数规定的安全系数 某些不对称循环下，疲劳强度条件式可取：某些不对称循环下，疲劳强度条件式可取： aa 零件的许用应力幅零件的许用应力幅 材料的对称循材料的对称循 环疲劳极限

12、环疲劳极限 第10页/共24页 SS 危险截面处危险截面处 的安全系数的安全系数 许用的安全系数许用的安全系数 机械零件受单向应力，机械零件受单向应力， 是指其只承受单向正应力或单是指其只承受单向正应力或单 向切应力。向切应力。 对于试件，安全系数为：对于试件，安全系数为： 对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为：对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为： 1. 1. 单向稳定变应力的安全系数单向稳定变应力的安全系数 a 1 S a 1 S或或 aD 1 k S aD 1 k S 或或 当试件受对称循环应力作用时当试件受对称循环应力作用时 第1

13、1页/共24页 工作应力点工作应力点m或或n点，坐标为（点，坐标为（m， a），则：），则： 极限应力点极限应力点（试件的破坏点试件的破坏点）M或或N点，坐点，坐 标为（标为（rm，ra），在），在AES线上线上 安全系数为：安全系数为： SS max lim 不同的工作情况，工作应力增长的规律不同，极限应力点的不同的工作情况，工作应力增长的规律不同，极限应力点的位置不同，位置不同，常见的有三种常见的有三种 max ma maxlimrrmra N（rm，ra）：）： M（rm，ra）：）： slim rmra 第12页/共24页 m a m a am am r 1 1 max min 常数

14、r r m a 1 1 即纵即纵 、横坐标、横坐标 之比为常之比为常 数数 两个区两个区 域域 OAE区：疲劳强度区区：疲劳强度区 rmrar max OSE区：静强度区区：静强度区 Sr max 其安全系数见公式。其安全系数见公式。 第13页/共24页 两个区域两个区域 OAEH区：疲劳强度区区：疲劳强度区 SEH区：静强度区区：静强度区 （例如：振动着的弹簧）（例如：振动着的弹簧） rmrar max Sr max 其安全系数见见公式。其安全系数见见公式。 第14页/共24页 F 常数 am min min am 两个区域两个区域 OGEF区：疲劳强度区区：疲劳强度区 SEF区：静强度区区

15、：静强度区 例如：紧螺栓联接的螺栓例如：紧螺栓联接的螺栓 承受轴向变载荷时承受轴向变载荷时 rmrar max Sr max 其安全系数见有关公式其安全系数见有关公式 G E 第15页/共24页 例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应 力状态下工作。力状态下工作。 S SS SS S 22 目前，对于复合循环变应力作用下的零件安全系数的计算，理论和试验研究都很不充分；只对于周期相同、相位相同的弯曲和扭转对称稳定循环变应力所组成的复合变应力的研究较成熟。对于一般结构钢，当其同时有周期相同和相位相同的弯曲

16、和扭转对称稳定循环变应力时，弯、扭复合对称循环变应力下的强度条件式为： 3 3、许用安全系数的选择、许用安全系数的选择 S、S为单向应力状态安全系数值。为单向应力状态安全系数值。 第16页/共24页 2、图示的齿轮传动，试确定齿、图示的齿轮传动，试确定齿 轮轮B上轮齿的弯曲应力循环状态上轮齿的弯曲应力循环状态 。 假定：假定： （1）齿轮）齿轮B为为“惰轮惰轮”（中间轮（中间轮 ），），A为主动轮，为主动轮，c为从动轮。为从动轮。 （2）齿轮）齿轮B为主动，为主动，A和和C均为均为 从动轮。从动轮。 1、如图所示某旋转轴受径向、如图所示某旋转轴受径向 载荷载荷F=12kN作用，已知跨距作用，已

17、知跨距 L=16m，直径，直径d55mm， 轴的角速度为轴的角速度为，求中间截面，求中间截面 上上A点的应力循环特性。点的应力循环特性。 第17页/共24页 疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论MinerMiner法则法则 1、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤 时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。 2、假说的数学表达式：、假说的数学表达式： 11 n n 2 2 1 1 i i N n N n N n N n

18、或 第18页/共24页 疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论MinerMiner法则法则 1、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤、假说内容是：在使初始裂纹形成和扩展的过程中，零件或材料内部的损伤 时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。时逐渐积累的，累积到一定程度才发生疲劳破坏，而不论其应力谱如何。 2、假说的数学表达式：、假说的数学表达式： 11 n n 2 2 1 1 i i N n N n N n N n 或 3、自从假说提出后，曾作了大量的实验研究，以验证假说的正确性。、自从假说提出后，曾作了大量的实验研究，以验证假说的正确性。 当各个

19、作用的应力幅无巨大的差别以及无短时的强烈过载时，这个规律是正确的；当各级应力是先作用最大的，然后依次降低时，式中的等号右边将小于当各个作用的应力幅无巨大的差别以及无短时的强烈过载时，这个规律是正确的；当各级应力是先作用最大的，然后依次降低时，式中的等号右边将小于1 1；当各级应力是先作用最小的，然后依次升高时，则式中等号右边要大于；当各级应力是先作用最小的，然后依次升高时，则式中等号右边要大于1 1。 i i N n 0.72.2 第19页/共24页 m ii m ii m m N n N N v1 vv 1v NN 左端分子分母同乘以左端分子分母同乘以 m v m i 右端分子分母同乘以右端分子分母同乘以 i i N n N N 1 v CN m rN CNN i m i m 1v m ii m nN vv 按寿命损伤等效原则：按寿命损伤等效原则：