交变应力与疲劳课件

第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

引言影响疲劳寿命的因素

有限寿命设计与无限寿命设计

结论与讨论线性累积损伤理论

疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

疲劳失效实例引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

交变应力－一点的应力若随时间而变化，这种应力称为交变应力(alternativestress)

疲劳失效－材料与构件在交变应力作用下的失效，称为疲劳失效(fatiguefailure),简称疲劳(fatigue)。引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳失效实例引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳失效实例引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳失效实例引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计规则交变应力与不规则交变应力ttt引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计规则交变应力与不规则交变应力ttt引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计规则交变应力与不规则交变应力引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计交变应力的若干名词和术语引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计应力循环－应力变化的一个周期引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计应力循环对称循环－应力比r=–1

的应力循环引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计脉冲循环－应力比r=0

的应力循环引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳失效特征破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限；破坏前没有明显的塑性变形，即使韧性很好的材料，也会呈现脆性断裂；

交变应力作用下的疲劳破坏需要经过一定数量的应力循环；

同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。光滑区域颗粒状区域引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计晶粒引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计裂纹扩展路径滑移带初始裂纹晶界引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计初始缺陷滑移滑移带初始裂纹(微裂纹)宏观裂纹脆性断裂引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计宏观裂纹扩展疲劳强度设计的依据－疲劳极限疲劳极限－经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。又称为持久极限(endurancelimit).疲劳极限由疲劳实验确定引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳极限疲劳试样引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳试验装置引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计实际结构疲劳试验装置引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计应力－寿命曲线O引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计每一应力水平只有一个试样的数据O引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计每一应力水平有一组试样的数据两种试验的应力－寿命曲线OO每一应力水平有一组试样的数据每一应力水平只有一个试样的数据引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计条件疲劳极限对于有渐近线的S－N曲线，规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。对于没有渐近线的S－N曲线，规定经历2×107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。引言第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

应力集中的影响；

零件尺寸的影响；

表面加工质量的影响；

零件的疲劳极限。影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

应力集中的影响影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计截面突变处的应力集中现象影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计应力集中的影响用有效应力集中因数Kf度量－光滑试样的疲劳极限；－有应力集中试样的疲劳极限。影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计有效应力集中因数与理论应力集中因数和材料的敏感系数之间的关系Kt－理论应力集中因数，可查表确定；q－材料对应力集中的敏感系数，与材料有关。影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计Kt－理论应力集中因数，可查表确定影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计q－材料对应力集中的敏感系数影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

零件尺寸的影响影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计零件尺寸的影响用尺寸因数度量－零件的疲劳极限；－光滑小试样的疲劳极限。影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计尺寸因数影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

表面加工质量的影响表面加工质量的影响用表面加工质量因数

度量－其它加工时的疲劳极限；－磨削加工时的疲劳极限。影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计表面加工质量因数

影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

零件的疲劳极限综合考虑各种因素的影响，零件的疲劳极限为对于对称正应力循环对于对称切应力循环影响疲劳寿命的因素第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

两种不同的疲劳设计方法

无限寿命设计方法中，等幅对称应力循环下的疲劳强度设计

等幅交变应力循环下的疲劳寿命估算有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

两种不同的疲劳设计方法有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计无限寿命区有限寿命区有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

无限寿命设计方法中，等幅对称应力循环下的疲劳强度设计有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计安全因数法与设计准则n－零件的工作安全因数；[n]－规定的安全因数。有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计等幅对称应力循环下零件的工作安全因数对于对称正应力循环对于对称切应力循环有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

等幅交变应力循环下的疲劳寿命估算有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计根据光滑小试样的应力－寿命曲线估算疲劳寿命有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计根据零件试验所得到的应力－寿命曲线估算疲劳寿命有限寿命设计与无限寿命设计第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计线性累积损伤理论

基本概念

周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算

线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

基本概念第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计线性累积损伤理论规则的变幅交变应力不规则的变幅交变应力线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计变幅交变应力无限寿命设计的不合理性线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计S－1线性累积损伤理论

线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计损伤的概念

周期变幅交变应力时的疲劳强度设计，允许构件上危险点应力循环中的最大应力值超过疲劳极限。

当最大应力值超过疲劳极限时，构件内部就会产生一定数量的损伤(damage)。

这种损伤是可以累积的，当损伤累积到一定数量时，便发生疲劳破坏。这一过程称为累积损伤（cumulativedamage)线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计构件寿命的消耗过程在S1下消耗的寿命n1,

占总寿命N1的比：n1/N1在S2下消耗的寿命n2,

占总寿命N2的比：n2/N2线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计应力由高到低构件寿命的消耗过程线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计在S1下消耗的寿命n1,

占总寿命N1的比：n1/N1在S2下消耗的寿命n2,

占总寿命N2的比：n2/N2应力由低到高线性累积损伤理论

在确定的应力水平下，经过一次应力循环，产生等量的损伤。

在一个应力水平下所消耗的寿命与这一应力水平下的总寿命之比，等于在任何不同应力水平下消耗的寿命与那一应力水平下的总寿命之比。

损伤累积到一定程度，寿命终结，发生疲劳破坏线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计对于两次变幅：对于多次变幅：？线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计Miner

准则不同应力水平下发生损伤时，材料吸收的净功：S1W1S2W2SkWk

发生疲劳破坏时，材料吸收的总净功W，与应力水平无关。线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计Miner

准则损伤与净功之间的关系：对于多次变幅循环，最后发生疲劳破坏：W1＋W2＋…＋Wk＝W线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计Miner

准则线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计W1＋W2＋…＋Wk＝W－损伤率

周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

变幅交变应力时，如果有若干应力循环中的最大应力超过疲劳极限，如何确定零件的总寿命？问题线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计线性累积损伤理论

周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计根据Miner准则零件的总寿命为据此可以确定零件的剩余寿命。线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计怎样根据寿命公式确定零件的剩余寿命？

Ni—应力Si下的寿命，由Si和S－N曲线确定；线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计对于规则交变应力，有线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计niT－一个周期内某个应力水平Si下的循环数；NT

－一个周期内所有应力水平下的循环总数。线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计例题

已知：低合金结构钢试样在不同应力水平下的疲劳寿命(试验数据)。38027500045012000线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计5501500510100504802080045050500410125000i/MpaNi(寿命循环数)i/MpaNi(经历的循环数)380800005103000480?一材料相同的试样在承受下列应力水平和相应的应力循环次数仍未发生疲劳破坏：线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计例题380275000450120005501500510100504802080045050500410125000i/MpaNi(寿命循环数)i/MpaNi(经历的循环数)380800005103000480?这一试样再a=480Mpa

承受对称应力循环，其剩余寿命还有多少？解：还要经历n4次应力循环，发生疲劳破坏，根据Miner准则，有线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计例题1=510MPa:N1=10050,n1

=3000;2=450MPa:N2=50500,n2=12000;3=380MPa:N3=275000,n3

=80000;4=480MPa:N4=20800,n4=?n4=3598线性累积损伤理论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计例题

疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

疲劳试验结果的分散性

标准离差与可靠性的关系

考虑可靠性时零件的疲劳安全因数疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

疲劳试验结果的分散性疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计疲劳试验结果的分散性疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

标准离差与可靠性的关系疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计标准离差与可靠性的关系

标准离差—在高斯概率分布规律下，试验点的应力值与平均曲线上对应的应力值相差8％时称为一个标准离差(standarddeviation)疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计可靠性与标准离差之间存在下列关系：R－可靠性；up－标准离差。疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计up＝－1，R＝84.13%up＝－3，R＝99.9%

疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计考虑可靠性时零件的疲劳安全因数疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计考虑可靠性时零件的疲劳安全因数对于等幅对称应力循环，考虑可靠性、应力集中、尺寸以及表面加工质量等因素后，零件的疲劳极限为：零件的工作安全因数为：疲劳强度可靠性概述第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计结论与讨论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

关于疲劳问题的判断

非对称应力循环疲劳问题的分析方法结论与讨论

提高疲劳强度的办法第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

关于疲劳问题的判断结论与讨论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计

判断应力是否随着时间的变化而变化轴固定；轮子可在轴上转动。请判断什么情形下轴将发生疲劳破坏？结论与讨论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计轴轮

判断应力是否随着时间的变化而变化轴与轮子固结成一体转动。请判断什么情形下轴将不发生疲劳破坏？轮轴结论与讨论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计提高疲劳强度的办法结论与讨论第11章材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计设