《疲劳断裂特征》PPT课件

1、3.1疲劳断裂特征3.2疲劳曲线和疲劳极限应力图 3.3 影响疲劳强度的主要要素 3.4许用疲劳极限应力图 3.5稳定变应力时平安系数的计算 3.6规律性非稳定变应力时的机械零件疲劳强度两种疲劳强度计算准那么1、平安-寿命设计 -在规定的任务时间内不允许出现疲劳裂纹2、破损-平安设计 -允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但需保证在 规定的时间内仍能平安可靠地任务一、应力的种类 t=常数静应力: =常数变应力: 随时间变化2minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:变应力的循环特性:maxminr脉动循环变应力对称循环变应力 -1= 0 +1静应力静应力是变应力的特例 3.1 3.1疲劳断裂特征

2、疲劳断裂特征脉动循环变应力脉动循环变应力r =0循环变应力循环变应力对称循环变应力对称循环变应力r =-1maxmTmaxminaamtmaxminaattaaminr =+1 循环应力下，零件的主要失效方式是疲劳断裂。循环应力下，零件的主要失效方式是疲劳断裂。二、疲劳断裂过程：二、疲劳断裂过程： 裂纹萌生、裂纹扩展、断裂裂纹萌生、裂纹扩展、断裂 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性资料，还是 塑性资料，均表现为脆性断裂。更具忽然性，更危险。疲劳断裂过程：疲劳断裂过程： 断裂面累积损伤处外表光滑，而折断区外表粗糙。光滑的疲劳开展区粗糙的脆性断裂区v裂纹萌生、裂纹扩展、断裂v三、疲劳断裂的特点

3、：v maxB 甚至maxS v 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果3.2.1疲劳曲线1.疲劳极限-在某一循环特性r下，经过N次循环作用而不发生 疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限 (rN或rN)2.疲劳曲线-循环次数N与疲劳极限rN或rN之间的关系曲线3.23.2疲劳曲线和疲劳极限应力图疲劳曲线和疲劳极限应力图 3、 rN N疲劳曲线 用参数rN表征资料的疲劳极限，经过实验，可得出如下图的疲劳曲线。称为： rN N疲劳曲线 在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，即在加载到最大值时资料被拉断。显然该值为强度极限B 。 AB段，应力循环次数103 ，rN变化很小，可以近似看作为静应力强度静应

4、力区。NrN0107CBAN=1/4 104B103DrNN低周疲劳N104静应力区N104 BC 段，N =103104，随着N rN，资料破坏伴有塑性变形，称这一阶段的疲劳景象为应变疲劳。 因N 较小，特称为低周疲劳。rNrD)NN持久疲劳极限 （rNNrN0107CDrNNBAN=1/4 D点以后的疲劳曲线呈一程度线， 代表着无限寿命区其方程为 实际证明，机械零件的疲劳大多发生在 CD段。)(DCmrNNNNconstNCD段曲线可用下式描画104CB103有限寿命疲劳阶段无限寿命疲劳阶段m与资料有关的常数 C常数 由于由于NDND很大，所以在作疲劳实验时，常规定一个循环次数很大，所以在

5、作疲劳实验时，常规定一个循环次数N0(N0(称为循环基数称为循环基数) )，用，用N0N0及其相对应的疲劳极限及其相对应的疲劳极限rr来近似代表来近似代表NDND和和rr。于是有CNN0mrmrNmrNNN0r0rrNNmN 式中 N0循环基数、r N0所对应的疲劳极限 及m资料常数的值由资料实验确定。rNNrN0107CBAN=1/4 104B103DrNN低周疲劳N1040mNNKN为寿命系数。静应力区N104实验结果阐明在CD区间内，试件经过相应次数的变应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，假设作用的变应力最大应力小于D点的应力maxr，那么无论循环多少次，资料都不会破坏。CD区间

6、有限疲劳寿命阶段 D点之后无限疲劳寿命阶段 高周疲劳 有关疲劳曲线阐明有关疲劳曲线阐明1、循环基数N0与资料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。对于钢，假设硬度350HB，取N0=106107；350HB，取N0=1010725 107 普通在计算KN时取N0=107有色金属N0=25 1072、指数m(随资料和应力形状而定的指数3、不同循环特性的疲劳曲线具有类似的外形，r愈大rN也愈大rrNmrmrNNNmNNlglglglg00资料的疲劳极限曲线也可用于特定的应力循环次数资料的疲劳极限曲线也可用于特定的应力循环次数N N下，下，极限应力幅与平均应力之间的关系曲线来表示，特称为等寿极限应力幅与

7、平均应力之间的关系曲线来表示，特称为等寿命曲线，也称为极限应力线图。二次曲线命曲线，也称为极限应力线图。二次曲线3.2.2 疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线 单直线简化实践运用时常有两种简化方法。简化等寿命曲线双直线极限应力线图： 对称循环 m =0 , max=a=-1 脉动循环 m=a =0 /2 双直线简化max知A(0，-1) B(0 /2，0 /2)两点坐标，求得AB直线的方程为:ma1smaAE 直线上恣意点代表一定循环特性时的疲劳极限。ES直线上恣意点的最大应力均到达了屈服极限。ES直线上恣意点C的坐标为m ，a 由三角形中两条直角边相等可求得ES直线的方程为 ),(amC当循环应力

8、参数 m，a 落在OABES以内时，表示不会发生疲劳破坏。而正好落在ABE折线上时，表示应力情况到达疲劳破坏的极限值。 当应力点落在ABES以外时，一定会发生疲劳破坏。 公式 中的参数为试件受循环弯曲应力时的资料常数，其值由实验及下式决议ma10012对于碳钢，0.1 0.2，对于合金钢，0.20.3。1、应力集中的影响 3.3 3.3 影响机械零件疲劳强度的主要要素影响机械零件疲劳强度的主要要素k1)应力集中产生的主要缘由：零件截面外形发生的忽然变化2)名义应力和实践最大应力maxmax实际应力集中系数：有效应力集中系数：1(1)kq 资料的敏感系数 q 1 轴上环槽、轴肩圆角、轴上径向孔

9、实际应力集中系数钢材的敏性系数3)实际应力集中系数与有效应力集中系数实际应力集中系数敏感系数2、尺寸的影响-尺寸系数1、零件尺寸越大，疲劳强度越低2、尺寸及截面外形系数 4、综合影响系数e11e11)()(kkkkDD3.4 许用疲劳极限应力图3.4.1稳定变应力和非稳定变应力1.稳定变应力-循环中平均应力、应力幅和周期都不随时间 变化的变应力2.非稳定变应力-上述参数之一假设随时间变化那么称作非稳定 变应力 -规律性非稳定变应力 -随机性非稳定变应力由于资料试件是一种特殊的构造，而实践零件的几何外形、尺寸大小、加工质量及强化要素等与试件有区别，使得零件的疲劳极限要小于资料试件的疲劳极限。 零

10、件的对称循环弯曲疲劳极限-1e 设资料的对称循环弯曲疲劳极限为-1且总有 -1e-1 3.4.2许用疲劳极限应力图1.所谓许用疲劳极限应力图是在思索了综合影响系数和寿命系数之后得出 的疲劳极限应力图2.综合影响系数只对极限应力幅有影响,而寿命系数对应力幅和平均应力均 有影响3.任务应力点(m,a)必需落在平安区内,但许用极限应力的大小那么取决于工 作应力增长的规律001emae1mea)2:DSKSEEA（3.4.3任务应力增长的规律1.r=const(绝大多数转轴的应力形状M12.m=const振动弹簧应力形状M33. min=const(紧螺栓衔接受轴向变载荷M23.5 3.5 稳定变应力

11、时平安系数的计算稳定变应力时平安系数的计算疲劳强度的计算采用的是平安系数计算,即判别危险截面处的平安程度,准那么为: SS该算法具有验算性质,由于计算是在零件的资料,构造和尺寸均已确定的条件下进展的3.5.1单向应力形状时的平安系数t11maxminconsrmamaamam1.r=常数的几何含义2.图解法求平安系数HCCGSOCCOHCOHCGOGSaaaamammaxmax 当任务应力处于塑性平安区时首先发生塑性破坏111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLSamS3.解析法求平安系数任务点位于疲劳平安区时001110012)(1)()(2)(2)(mDDNamaDNNDNDNk

12、kkkkkkkkk由几何关系化简由几何关系化简aammaamm,amDNaamDNakkkk)(,)(11按应力幅求平安系数该公式也适用于低塑性资料和脆性资料当任务点处于塑性平安区时)()(1111aaeNmaDNaaaaaeNmaDNaaaSkkkSSkkkSSSmasSSmas)()()(122112SkkkNaDaD)()()(221121SkkkSaDaDN22SSSSSS42max2maxSSs32max2maxSSsSSSSSS复合应力形状时的平安系数对称循环下，对塑性资料，按第三、第四强度实际计算为防止在复合应力作用下发生塑性变形低塑性和脆性资料规律性不稳定变应力3.6 规律性非

13、稳定变应力时的机械零件疲劳强度不稳定变应力规律性非规律性 用统计方法进展疲劳强度计算按疲劳损伤累积假说进展疲劳强度计算如汽车钢板弹簧的载荷与应力受载分量、行车速度、轮胎充气程度、路面情况、驾驶员程度等要素有关。1n12n23n34n4maxnOmaxNO1n1N12 n2N23 n3 N3-1 -1 ND如公用机床主轴1.疲劳损伤积累假说Miner实际-在每一次应力作用下零件的寿命都遭到微量的疲劳损伤,当疲劳损伤积累到一定的时候将产生疲劳断裂。假设应力每循环一次都对资料的破坏起一样的用，那么应力 1 每循环一次对资料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对资料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对资料的损伤率即为n2/N2，而低于-1的应力可以以为不构成破坏作用。 当损伤率到达100%时，资料即发生疲劳破坏，故对应于极限情况有13322111NnNnNnNnFziiimiiNN10其中：实验阐明 (1)当应力作用顺序是先大 后小时，等号右边值1； 11ziiiNn普通情况有 2 . 27 . 01ziiiNn1).(1101221110mzimiimzzmmmNnnnnN极限情况 P30