疲劳与断裂-应力疲劳1

1、1第二章第二章 应力疲劳应力疲劳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， Nf103-104。 S34567Lg NSf3) 三参数式三参数式 (S-Sf)m.N=C7斜线斜线OA+水平线水平线ABR=-1，旋转弯曲时有：，旋转弯曲时有： Sf(bending)=0.5Su (Su 1400MPa)1)疲劳极限疲劳极限Sf与极限强度与极限强度Su之关系之关系500500100015002008000 0AB旋旋转转弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限S MPaf f 材料极限强度材料极限强度S MPauS S / /S S =0.5 =0.5fu

2、S S =700 =700f f常用金属材料数据图常用金属材料数据图8轴向拉压载荷作用下的疲劳极限轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：可估计为： Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su 实验在实验在(0.3-0.45)Su之间之间 高强脆性材料，极限强度高强脆性材料，极限强度Su取为取为 b ； 延性材料延性材料, Su取为取为 ys。扭转载荷作用下的疲劳极限扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：可估计为： Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 实验在实验在(0.25-0.3)Su之间之间 注意，注意，不同载荷形式下的不同载荷形式下的

3、Sf和和S-N曲线是不同的曲线是不同的。9故由故由S-N曲线有：曲线有： (0.9Su)m103=(kSu)m106 =C 参数为：参数为： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m103假定假定1：寿命：寿命 N=103时，有：时，有： S103=0.9Su； 高周疲劳：高周疲劳：N103。已知已知Sf 和和 Su, S-N曲线用曲线用 Sm.N=C 表达。表达。假定假定2：寿命：寿命N=106时，时， S106=Sf=kSu, 如弯曲时，如弯曲时，k=0.5。2)无实验数据时无实验数据时S-N曲线的估计曲线的估计( (供初步设计参考供初步设计参考) )Lg S34567Lg N

4、120SuSf10StR=-1R=-1/3R=0SmR ，Sm ；且有：且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影响的影响Sm的影响的影响Sm0, 对疲劳有不利的影响；对疲劳有不利的影响；Sm0, 压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变喷丸、挤压和预应变残余压应力残余压应力提高寿命。提高寿命。2.2 平均应力的影响平均应力的影响1) 一般趋势一般趋势Sa不变不变，R or Sm ；N ；N不变不变，R or Sm ；SN ;SNSm0aR增大112） Sa-Sm关系关系如图，在等寿命线上，如图，在等寿命线上， Sm ，Sa ； Sm Su。

5、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。对于其他给定的对于其他给定的N，只需将，只需将S-1换成换成Sa(R=-1)即可。即可。利用上述关系，已知利用上述关系，已知Su和基本和基本S-N曲线，即可估计曲线，即可估计不同不同Sm下的下的Sa 或或SN。Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=112解：解： 1. 工作循环应力幅和平均应力：工作循环应力幅和平均应力： Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2

6、=440 MPa例例2.1: 构件受拉压循环应力作用，构件受拉压循环应力作用，Smax=800 MPa, Smin=80 MPa。 若已知材料的极限强度为若已知材料的极限强度为 Su=1200 MPa，试估算其疲劳寿命。，试估算其疲劳寿命。 2. 估计对称循环下的基本估计对称循环下的基本S-N曲线：曲线： 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=1.536102513 4. 估计构件寿命估计构件寿命 对称循环对称循环(Sa=568.

7、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. 循环应力水平循环应力水平等寿命转换等寿命转换 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, 等寿命等寿命地地转换转换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 MPa14重画重画Sa-Sm关系图。关系图。

8、射线斜率射线斜率k, k=Sa/Sm；又有；又有 R=Smin/Smax =(Sm-Sa)/(Sm+Sa) =(1-k)/(1+k) k、R 一一对应，射线上各点一一对应，射线上各点R相同。相同。S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1D3) 等寿命疲劳图等寿命疲劳图且有：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;kh作作 DC OA ，DC是是R的坐标线，的坐标线，如何标定如何标定？15故可知故可知: R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值

9、在值在AC上上 线性标定即可线性标定即可。 设设AB=h，OB的斜率为：的斜率为： k=Sa/Sm=(OAsin45 -hsin45 ) /(OAcos45 +hcos45 ) =(OA-h)/(OA+h)S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1Dh将将Sa-Sm关系图旋转关系图旋转45 度，坐标度，坐标S1 和和S2 代表什么？代表什么？16如此得到的图，称为等寿命疲劳图。由图可以如此得到的图，称为等寿命疲劳图。由图可以: 直接读出给定寿命直接读出给定寿命N下的下的Sa、Sm、Smax、Smin、R； 在给定在给定R下，由射线与等寿命线交点读取数据，下，由射线与等寿命线交点读取数据

10、， 得到不同得到不同R下的下的 S-N曲线。曲线。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 =( )Smin2/22/2可见，可见，S1表示表示Smin, 坐标按坐标按0.707 标定；还可证标定；还可证, S2表示表示Smax。ASS-10 C SD S 2-101RSaSm1u17R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S

11、 /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=107N=104, R=0.2Sm=330Sa=220Smax=550Smin=11018R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=1

12、07R=0.2N=104, Sa=220, lgSa=2.342N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.114 191. 1. 载荷形式的影响载荷形式的影响S Sf f（弯）（弯）S Sf f（拉）（拉）拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比

13、弯曲情况低。样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。 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同样可用高应力区体积的不同来解释。同样可用高应力区体积的不同来解释。 应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域体积越大。区域体积越大。 疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。2. 尺寸效应尺寸效应尺寸效应可以用一个修正因子尺寸效应可以用一个修正因子Csize表达为：表达为： Csiz

14、e=1.189d-0.097 8mm d 250mm 当直径当直径d8mm时，时，Csize=1。尺寸修正后的疲劳极限为：尺寸修正后的疲劳极限为： Sf= CsizeSf. 尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。213. 表面光洁度的影响表面光洁度的影响由疲劳破坏机理知，表由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局部应力集中增面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。大，裂纹萌生寿命缩短。400700100013001.00.80.60.40.20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材料强度越高，材料强度越高，光洁度的影响

15、越大；光洁度的影响越大； 应力水平越低，寿应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响命越长，光洁度的影响越大。越大。加工时的划痕、碰伤加工时的划痕、碰伤( (尤其尤其 在在孔、台阶等高应力孔、台阶等高应力区区) )，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。22材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，效果越好。在缺口应力集中处采用效果越好。在缺口应力集中处采用, ,效果更好。效果更好。4.4.表面处理的影响表面处理的影响残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强

16、度降低或寿命减小。入残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。疲劳裂纹常起源于表面。疲劳裂纹常起源于表面。在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等；表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等；都可在表面引入残余压应力都可在表面引入残余压应力, ,提高寿命。提高寿命。温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在弛，例如，钢在350 C以上以上, 铝在铝在150 C以上，以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。23 镀铬或镀镍，引入残余拉镀铬

17、或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。应力，疲劳极限下降。 材料强度越高，寿命越长，材料强度越高，寿命越长，镀层越厚，影响越大；镀层越厚，影响越大；10104 410105 510106 610107 7NS500500400400300300200200150150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 热轧或锻造，会使表面脱碳，强度下降并在表面热轧或锻造，会使表面脱碳，强度下降并在表面引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低50%甚至更甚至更多。材料强度越高，影响越大。多。材料强度越高，影响越大。 渗碳或渗氮，可提高表

18、层材料强度并引入残余压应渗碳或渗氮，可提高表层材料强度并引入残余压应力，使钢材疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。力，使钢材疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。 镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。 镀前渗氮，镀后喷丸等，镀前渗氮，镀后喷丸等，可以减小其不利影响。可以减小其不利影响。残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在350C以上, 铝在150C以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。五、其他因素的影响五、其他因素的影响腐蚀介质将加速疲劳裂纹的产生腐蚀疲劳。25Care should be taken when using the idea of an endurance limit, a “safe stress” below which fatigue will not occur. Only plain carbon and low-alloy steel exhibit this property, and it may disappear due to high temperatures, corrosive