《材料力学》课件-第十章 疲劳强度的概念-2-4

构件正常工作强度条件：塑性材料：脆性材料：n：安全因数在周期性应力作用下，构件会产生裂纹或完全断裂，这种现象为“疲劳失效”。第10章疲劳强度的概念产生微裂纹——裂纹扩展——断裂断裂力学应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。完成一个应力循环所需的时间T

，称为一个周期。一、交变应力10.1交变应力与疲劳失效交变应力：在构件内随时间作周期性变化的应力。

疲劳与疲劳失效：结构的构件在交变应力的作用下发生的破坏现象，称为疲劳失效，简称疲劳.1.对称循环2.脉动循环3.静载疲劳失效的特点构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征：1）破坏时的最大应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应力；2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力循环；3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料，也将呈现“突然”的脆性断裂；4）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。二、疲劳失效疲劳失效机理疲劳源裂纹扩展光滑区粗糙区脆断金属材料裂纹1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。疲劳破坏案例11981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中疲劳破坏案例21998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏。疲劳破坏案例3一、疲劳极限

10.2疲劳极限及影响疲劳极限的主要因素

疲劳极限（持久极限）—指对光滑小试件进行交变应力循环试验，经过无穷多次应力循环而不发生破坏的最大应力值的最高限值。用来表示，下标r为对应的循环特征。

试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应力，直至断裂破坏。

记录每根试件中的最大应力（名义应力，即疲劳强度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳寿命），即可得S—N应力寿命曲线。应力—寿命曲线，也称S—N曲线。S-N曲线为对称循环时材料的疲劳极限材料的疲劳极限

有色金属及其合金的应力—寿命曲线无明显趋于水平的直线部分。通常规定N0=(5~10)×107作为循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：弯曲：拉压：扭转：二、影响疲劳极限的主要因素

1.构件外形的影响2.构件尺寸的影响3.构件表面质量的影响构件外形的影响构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。应力集中区易引发疲劳裂纹，使疲劳极限显著降低。

用有效应力集中因数或描述外形突变的影响：或其中：或是无应力集中的光滑试件的疲劳极限，或是有外形突变试件的疲劳极限。且

越小，则有效应力集中因数越大；材料的抗拉强度越高，应力集中对疲劳极限的影响愈显著。构件尺寸的影响

构件尺寸越大，疲劳极限越低。如受扭转大、小二圆截面试件，如二者的最大剪应力相同，则大试件横截面上的高应力区比小试件的大。即大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多，故引发疲劳裂纹的机会也多。

用尺寸因数或表示。或其中：为光滑小试件为光滑大试件且

，d越大，越小，愈小。构件表面质量的影响

构件上的最大应力常发生于表层，疲劳裂纹也多生成于表层。故构件表面的加工缺陷（划痕、擦伤）等将引起应力集中，降低疲劳极限。

用表面质量因数表示

其中：为表面磨光试件的疲劳极限为用其它方法加工的构件疲劳极限

表面加工质量愈低，愈小，降低愈多。

一般，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1的值。

综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为：或其中：，是光滑小试件的疲劳极限。10.3对称循环下的疲劳强度计算

对称循环交变应力下，构件的疲劳强度条件为：其中：

是构件危险点的最大工作应力；

nf是疲劳安全系数。

或表示成：同理，对扭转交变应力有：10.4提高构件疲劳强度的措施

疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故提高构件疲劳极限的措施有：（1）减缓应力集中，设计构件外形时，避免出现方形或带有尖角的孔和槽，在截面突变处采用足够大的过