《疲劳强度及》课件

疲劳强度课程内容概述1疲劳强度定义介绍疲劳的概念、发生的原因和失效现象。2疲劳强度影响因素探讨应力、循环特性、材料特性、环境因素等对疲劳强度的影响。3疲劳失效理论介绍常见的疲劳失效理论，如S-N曲线、Miner线性累积损伤理论等。4疲劳强度计算方法学习疲劳强度的计算方法，并了解疲劳寿命预测的方法。疲劳的定义循环应力在重复载荷作用下，材料内部会产生微观裂纹，这些裂纹会逐渐扩展，最终导致材料断裂。应力集中材料内部的应力集中区域，更容易产生疲劳裂纹。表面缺陷材料表面的缺陷，例如划痕、裂纹等，也会加速疲劳裂纹的产生和扩展。疲劳的种类高周疲劳高周疲劳是指在高循环次数下，材料承受较小的应力，最终发生疲劳破坏。低周疲劳低周疲劳是指在较低循环次数下，材料承受较大的应力，最终发生疲劳破坏。热疲劳热疲劳是指由于温度变化引起的热应力循环，最终导致材料发生疲劳破坏。疲劳的影响因素载荷类型循环载荷，交变载荷，冲击载荷等都会影响疲劳寿命。应力幅值应力幅值越高，疲劳寿命越短。应力集中应力集中会降低疲劳强度，缩短疲劳寿命。材料性质材料的强度、韧性、塑性等都会影响疲劳寿命。疲劳失效理论应力集中材料内部应力集中是疲劳失效的主要原因之一。应力集中会导致材料在应力集中点出现应力集中，从而导致疲劳裂纹的萌生和扩展。裂纹扩展疲劳裂纹的扩展是一个逐渐的过程。当材料承受重复应力时，裂纹会逐渐扩展，直到最终导致材料断裂。影响疲劳强度的因素应力集中应力集中会导致局部应力增加，从而降低材料的疲劳强度。表面质量表面缺陷，如划痕或裂纹，会成为疲劳裂纹的起始点，降低疲劳强度。温度高温会降低材料的强度，而低温会增加材料的脆性，从而影响疲劳强度。几何尺寸零件的形状和尺寸会影响应力分布，从而影响疲劳强度。应力-循环曲线和S-N曲线应力-循环曲线描述了材料在交变载荷作用下的应力变化规律，而S-N曲线则表示材料在不同应力幅值下的疲劳寿命。S-N曲线通过一系列疲劳试验获得，试验中材料在不同应力幅值下循环加载，直到发生疲劳失效，记录其失效循环次数。应力集中的影响1几何形状孔洞、凹槽、尖角等几何形状会引起应力集中。2载荷方向载荷方向的变化也会导致应力集中。3材料性质材料的弹性模量、泊松比等性质也会影响应力集中程度。表面质量的影响表面粗糙度表面粗糙度会导致应力集中，从而降低疲劳强度。表面缺陷表面缺陷，如裂纹、划痕和凹坑，也会降低疲劳强度。表面处理表面处理，如喷丸、滚压和表面镀层，可以提高疲劳强度。温度对疲劳强度的影响温度升高，材料的强度和塑性降低，疲劳强度下降。温度降低，材料的韧性降低，疲劳强度提高。温度对疲劳强度的影响随材料和环境而异，需进行试验验证。几何尺寸对疲劳强度的影响应力集中形状不规则或存在孔洞等几何特征会造成应力集中，降低疲劳强度。尺寸效应尺寸较小的零件，其表面积与体积比更大，更容易出现应力集中，降低疲劳强度。预紧力的影响增大疲劳强度预紧力可以提高零件的接触应力，从而抑制裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。改善接触面预紧力可以使接触面更加紧密，减少接触面的松动，从而提高疲劳强度。影响载荷传递预紧力会改变零件的载荷传递路径，从而影响疲劳强度，需要根据实际情况进行调整。表面处理的影响表面粗糙度表面粗糙度会影响应力集中程度，从而影响疲劳强度。光滑的表面通常具有更高的疲劳强度。表面残余应力压缩残余应力可以提高疲劳强度，而拉伸残余应力会降低疲劳强度。表面涂层涂层可以提供保护，防止腐蚀和磨损，从而延长疲劳寿命。环境因素的影响温度高温会加速材料的疲劳损伤，降低疲劳强度。湿度潮湿环境会加速腐蚀，降低材料的疲劳寿命。腐蚀介质腐蚀性介质的存在会加速材料的疲劳裂纹扩展，导致疲劳寿命显著降低。疲劳强度计算方法1疲劳寿命疲劳寿命是指材料在循环载荷作用下发生疲劳失效时的循环次数。2应力幅应力幅是指循环载荷的最大应力与最小应力的差值的一半。3应力比应力比是指循环载荷的最小应力与最大应力的比值。在实际应用中，可以通过疲劳试验或理论计算来预测材料的疲劳寿命。常见的疲劳强度计算方法包括S-N曲线法、Miner线性累积损伤理论以及基于裂纹扩展速率的计算方法等。这些方法可以帮助工程师评估材料在不同载荷条件下的疲劳性能，并设计出能够满足疲劳强度要求的结构。Miner线性累积损伤理论损伤累积每个循环都会造成一定的损伤，损伤累积到一定程度就会导致失效。线性累积Miner理论假设损伤累积是线性的，可以通过累积损伤系数来预测疲劳寿命。疲劳寿命预测方法S-N曲线法通过实验获得材料的S-N曲线，预测疲劳寿命。裂纹扩展法利用裂纹扩展速率公式，预测裂纹扩展到临界尺寸所需时间。有限元分析使用有限元软件模拟疲劳过程，预测结构的疲劳寿命。疲劳试验1循环载荷模拟实际工况2应力水平控制应力幅值3疲劳寿命记录试件失效时间随机载荷下的疲劳随机载荷是指大小和时间变化无规律的载荷。现实中大多数机械结构都承受随机载荷。随机载荷下的疲劳分析需要考虑载荷的统计特性。疲劳裂纹扩展裂纹萌生在重复应力作用下，材料内部产生微小裂纹。这些裂纹随着时间的推移逐渐扩展，最终导致零件失效。裂纹扩展裂纹扩展是疲劳失效的关键阶段，裂纹在应力循环的作用下逐渐长大。断裂当裂纹扩展到一定程度时，零件的承载能力下降，最终导致断裂，造成疲劳失效。裂纹扩展速率公式1Paris公式最常用的裂纹扩展速率公式，适用于大多数疲劳裂纹扩展情况。该公式描述了裂纹扩展速率与应力强度因子范围的幂函数关系。2Forman公式考虑了载荷比的影响，适用于更广的载荷条件。它在Paris公式的基础上加入了载荷比的修正项。3其他公式还有一些其他公式，如Walker公式、Elber公式，针对特定情况进行了改进，更准确地描述了裂纹扩展速率。裂纹扩展寿命预测预测模型利用裂纹扩展速率公式，结合初始裂纹尺寸和载荷条件，可以预测裂纹扩展寿命。影响因素裂纹扩展寿命受材料特性、载荷条件、环境因素等影响，需要综合考虑。应用场景裂纹扩展寿命预测广泛应用于航空航天、机械制造、土木工程等领域，用于评估结构的安全性。腐蚀疲劳腐蚀环境腐蚀环境会加速疲劳裂纹的扩展。应力循环应力循环会造成材料的疲劳损伤，腐蚀环境会加速疲劳损伤的累积。环境介质环境介质会加速疲劳裂纹的扩展，比如盐水、酸性溶液等。高温下的疲劳材料性能变化高温会降低材料的强度和塑性，使其更容易发生疲劳裂纹.氧化作用高温环境会导致材料表面氧化，形成氧化层，影响疲劳强度.蠕变在高温下，材料会发生蠕变，导致应力松弛，影响疲劳寿命.低周疲劳1循环次数少低周疲劳发生在应力循环次数较少的条件下，通常指小于10^4次循环。2塑性变形大低周疲劳下，材料会经历明显的塑性变形，导致裂纹的形成和扩展。3高温或高应力低周疲劳通常发生在高温或高应力环境下，例如发动机和涡轮机。焊接结构的疲劳焊接接头容易产生应力集中，降低疲劳强度。焊接缺陷如裂纹、气孔等会加速疲劳裂纹扩展。焊接热影响区材料性能发生改变，影响疲劳寿命。复合材料的疲劳纤维增强复合材料的疲劳行为取决于其成分材料的特性，如纤维强度、基体强度和纤维-基体界面强度。加载方式复合材料的疲劳强度受到加载方向、加载速率和环境温度等因素的影响。损伤机制复合材料的疲劳损伤通常以纤维断裂、基体裂纹和界面脱粘的形式出现。机械设计中的应用产品设计疲劳强度分析可以帮助设计师选择合适的材料和设计结构，以确保产品的耐用性和可靠性。结构优化通过疲劳强度计算，可以识别结构中的薄弱环节，并进行优化设计，提高产品的寿命和可靠性。安全评估对于桥梁、飞机等关键