《材料力学》14交变疲劳

《材料力学》14交变疲劳引言交变应力的描述与分类材料的疲劳性能疲劳断裂的机理与过程交变疲劳的实验方法与测试技术交变疲劳的应用与防止措施contents目录01引言

交变应力的概念交变应力是指随时间周期性变化的应力，其大小和方向都可能发生变化。交变应力是引起材料疲劳破坏的主要原因，常见于机械、航空、航天等领域。交变应力可以分为对称循环应力、脉动循环应力和非对称循环应力等类型。疲劳破坏是一种在交变应力作用下，材料经过一定次数的循环加载后发生的断裂现象。疲劳破坏通常发生在材料的局部区域，如缺口、裂纹等应力集中处。疲劳破坏前材料没有明显的塑性变形，因此很难通过外观检查来预测。疲劳破坏的断口通常呈现出海滩状条纹或贝壳状形貌，这是疲劳断裂的典型特征。01020304疲劳破坏的特点研究交变疲劳可以了解材料在交变应力作用下的力学性能和断裂行为。交变疲劳研究对于保障机械、航空、航天等领域的安全运行具有重要意义。通过研究交变疲劳，可以优化机械结构设计，提高材料的抗疲劳性能和使用寿命。交变疲劳研究还可以为材料科学的发展提供理论基础和实验依据。研究交变疲劳的意义02交变应力的描述与分类应力随时间周期性变化01交变应力是指随时间作周期性变化的应力，可以用数学函数来描述其变化规律，如正弦波、余弦波等。应力幅和平均应力02交变应力中，应力幅是指最大应力和最小应力之差的一半，平均应力则是指一个周期内应力的平均值。应力循环特性03交变应力的循环特性包括应力循环次数、应力比（最小应力与最大应力的比值）等，这些参数对于材料的疲劳寿命有着重要的影响。交变应力的数学描述根据应力循环次数的不同，交变应力可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是指应力循环次数较高的疲劳，而低周疲劳则是指应力循环次数较低的疲劳。按应力循环次数分类交变应力还可以根据应力状态的不同进行分类，如单向交变应力、双向交变应力和多向交变应力等。按应力状态分类根据载荷类型的不同，交变应力可以分为旋转弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳和复合疲劳等。按载荷类型分类交变应力的分类在构件的几何形状突然变化处（如缺口、孔洞、沟槽等），会出现应力集中现象，即该处的应力值远高于其他部位的应力值。应力集中现象应力集中会显著降低材料的疲劳强度，因为应力集中处往往是裂纹萌生和扩展的起始点。对疲劳强度的影响为了减轻应力集中的影响，可以采取一些措施，如降低缺口敏感度、提高表面光洁度、采用合理的结构设计等。减轻应力集中的措施应力集中对交变应力的影响03材料的疲劳性能材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力值，称为疲劳极限或疲劳强度。它是衡量材料疲劳性能的重要指标。疲劳极限表示疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线图，也称为S-N曲线。它反映了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。疲劳图疲劳极限与疲劳图材料中存在应力集中现象，如缺口、裂纹等，会显著降低材料的疲劳性能。应力集中材料性质环境因素材料的强度、韧性、硬度等力学性质对其疲劳性能有重要影响。温度、腐蚀介质等环境因素也会对材料的疲劳性能产生影响。030201影响疲劳性能的因素通过优化结构设计、减少缺口和裂纹等措施来降低应力集中，从而提高材料的疲劳性能。降低应力集中通过合金化、热处理、表面强化等改性处理来改善材料的力学性质，提高其疲劳性能。材料改性在使用过程中控制环境因素，如降低温度、减少腐蚀介质等，以延长材料的疲劳寿命。环境控制提高材料疲劳性能的途径04疲劳断裂的机理与过程构件在循环载荷作用下，由于截面尺寸突变、加工缺陷等原因，导致局部应力远高于平均应力，从而引发微裂纹。应力集中金属在循环应力作用下，表面晶粒会产生滑移带，当滑移带开裂并与表面垂直时，形成疲劳裂纹源。滑移带开裂对于多晶体材料，由于晶界处原子排列不规则，强度较弱，因此在循环应力作用下容易开裂形成裂纹。晶界开裂疲劳裂纹的萌生裂纹扩展速率在循环载荷作用下，裂纹扩展速率逐渐加快，直至构件断裂。扩展速率受应力比、载荷频率、环境温度等因素影响。裂纹尖端塑性区裂纹尖端存在一个塑性区，该区域内材料发生塑性变形，导致裂纹扩展。裂纹扩展方向裂纹通常沿与最大主应力垂直的方向扩展，形成典型的疲劳辉纹。疲劳裂纹的扩展当裂纹扩展到一定程度后，构件剩余截面无法承受外载荷，发生瞬时断裂。此时断口呈脆性断裂特征，断口平齐且光亮。瞬时断裂疲劳断口具有典型的疲劳辉纹和贝壳状花样。疲劳辉纹是裂纹在扩展过程中留下的痕迹，而贝壳状花样则是由于裂纹在扩展过程中不断改变方向而形成的。此外，断口上还可以观察到裂纹源、扩展区和瞬断区的特征。疲劳断口特征瞬时断裂与疲劳断口特征05交变疲劳的实验方法与测试技术高周疲劳试验低周疲劳试验热疲劳试验腐蚀疲劳试验疲劳试验的分类与方法01020304主要针对循环次数超过10^4次的疲劳行为，通过应力控制或应变控制的方式进行。研究循环次数在10^2-10^4次之间的疲劳行为，通常涉及塑性变形，因此多采用应变控制。考虑温度变化对材料疲劳性能的影响，通常在交变温度场下进行。研究在腐蚀介质中材料的疲劳性能，需要考虑环境对疲劳裂纹萌生和扩展的影响。疲劳试验机专用的疲劳试验设备，能够施加交变载荷并控制试验条件。试样制备根据试验标准和要求制备试样，包括试样形状、尺寸、表面处理等。夹具与支撑确保试样在试验过程中稳定且受力均匀，减少附加弯矩和扭矩的影响。疲劳试验设备与试样制备记录试验过程中的载荷、位移、应变等参数，以及裂纹萌生和扩展的情况。数据采集对采集的数据进行整理、筛选和转换，提取有用的信息用于后续分析。数据处理根据试验数据绘制S-N曲线或ε-N曲线，评估材料在不同应力或应变水平下的疲劳寿命。疲劳寿命分析对裂纹萌生和扩展的机理进行研究，利用断裂力学理论预测材料的剩余寿命。断裂力学分析疲劳试验的数据处理与分析06交变疲劳的应用与防止措施机械工程在机械工程中，交变疲劳是常见的现象，例如汽车发动机的曲轴、连杆等零部件在工作过程中会受到交变载荷的作用。航空航天航空航天领域中的许多结构件，如飞机机翼、发动机叶片等，在工作过程中也会受到交变载荷的作用，因此需要考虑交变疲劳的影响。土木工程在土木工程中，桥梁、建筑等结构在风载、地震等作用下也会受到交变载荷的作用，因此交变疲劳也是一个需要考虑的重要因素。交变疲劳在工程中的应用ABCD防止交变疲劳破坏的措施合理设计通过合理设计结构，避免应力集中和过大的应力幅值，可以降低交变疲劳破坏的风险。表面强化处理通过表面强化处理，如喷丸、滚压等，可以提高材料表面的抗疲劳性能。选用高强度材料选用高强度、高韧性的材料可以提高结构的抗疲劳性能。定期检测和维护定期对结构进行检测和维护，及时发现并修复疲劳裂纹，可以防止交变疲劳破坏的发生。疲劳寿命预测方法包括名义应力法、局部应力应变法、断裂力学法等，这些方法可以通过分析结构的应力、应变和裂纹扩展等参数来预测结构的疲劳寿命。无限寿命设计该方法认为结构在低于疲劳极限的应力水平下工作可以无限期地使用而不发生疲劳破坏。有限寿命设计该方法允许结构