疲劳与断裂2PPT课件

1、1,第二章 应力疲劳,2.1 S-N曲线,2.2 平均应力的影响,2.3 影响疲劳性能的若干因素,2.4 缺口疲劳,2.5 变幅载荷谱下的疲劳寿命,2.6 随机谱与循环计数法,返回主目录,2,应力疲劳: Smax104， 也称高周疲劳。 应变疲劳: SmaxSy， Nf104， 也称低周应变疲劳,应力水平（S）用R和Sa描述。 寿命（N）为到破坏的循环次数。 研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为： 1.标准小尺寸试件断裂。 脆性材料 2.出现可见小裂纹, 或可测的应变降。延性材料,第二章 应力疲劳,2.1 S-N曲线,3,R=-1 (Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线,基本S-N曲线,1. 一

2、般形状及特性值,用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线,S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度,疲劳强度(fatigue strength) SN,4,无穷大”一般被定义为： 钢材，107次循环； 焊接件，2106次循环； 有色金属，108次循环,疲劳极限(endurance limit ) Sf,寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值 Sf,特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1,满足SSf的设计，即无限寿命设计,5,2. S-N曲线的数学表达,1) 幂函数式 Sm.N=C,m与C是与材料、应力比、加载方式等有关

3、的参数。 二边取对数，有: lg S=A+B lgN S-N间有对数线性关系； 参数 A=LgC/m, B=-1/m,6,考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N,2) 指数式 ： em s.N=C,二边取对数后成为： S=A+B lg N （半对数线性关系,最常用的是幂函数式。 高周应力疲劳，适合于 N103-104,3) 三参数式 (S-Sf)m.N=C,7,3. S-N曲线的近似估计,斜线OA+水平线AB R=-1，旋转弯曲时有： Sf(bending)=0.5Su (Su 1400MPa,1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系,8,轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为： Sf(tensi

4、on)=0.7Sf(benting)=0.35Su 实验在(0.3-0.45)Su之间,高强脆性材料，极限强度Su取为 b ； 延性材料, Su取为 ys,扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为： Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 实验在(0.25-0.3)Su之间,注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的,9,故由S-N曲线有： (0.9Su)m103=(kSu)m106 =C 参数为： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m103,假定1：寿命 N=103时，有： S103=0.9Su； 高周疲劳：N103,已知Sf 和 Su, S-N曲

5、线用 Sm.N=C 表达,假定2：寿命N=106时， S106=Sf=kSu, 如弯曲时，k=0.5,10,R，Sm；且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影响Sm的影响,Sm0, 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。 喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命,2.2 平均应力的影响,1) 一般趋势,Sa不变，R or Sm；N ； N不变，R or Sm；SN,11,2） Sa-Sm关系,如图，在等寿命线上， Sm，Sa； SmSu,Haigh图: (无量纲形式) N=107, 当Sm=0时，Sa=S-1； 当Sa=0时，Sm=Su,对于其他给定的N，只需将

6、S-1换成Sa(R=-1)即可。 利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计不同Sm下的Sa 或SN,Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=1,12,解： 1. 工作循环应力幅和平均应力： Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2=440 MPa,例2.1: 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 Su=1200 MPa，试估算其疲劳寿命,2. 估计对称循环下的基本S-N曲线： Sf(tension)=0.35Su=

7、420 MPa 若基本S-N曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.5361025,13,4. 估计构件寿命 对称循环(Sa=568.4, Sm=0)条件下的寿命，可由基本S-N曲线得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105 (次,3. 循环应力水平等寿命转换 利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工作循环应力水平, 等寿命地转换为对称循环下的应力水平Sa(R=-1)，由Goodman方程有： (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出： Sa(R=-1)=568.4 M

8、Pa,14,重画Sa-Sm关系图。 射线斜率k, k=Sa/Sm；又有 R=Smin/Smax =(Sm-Sa)/(Sm+Sa) =(1-k)/(1+k) k、R 一一对应，射线上各点R相同,3) 等寿命疲劳图,且有： k=1 (45线)时， Sm=Sa， R=0; k= (90线)时， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0线) 时， Sa=0， R=1,h,作 DCOA ，DC是R的坐标线，如何标定,15,故可知: R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值在AC上 线性标定即可,设AB=h，OB的斜率为： k=Sa/Sm=(OAsin45-hsin45) /(OAcos45+h

9、cos45) =(OA-h)/(OA+h,16,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N下的Sa、Sm、Smax、Smin、R； 在给定R下，由射线与等寿命线交点读取数据， 得到不同R下的 S-N曲线,可见，S1表示Smin, 坐标按0.707 标定；还可证, S2表示Smax,17,N=104, R=0.2 Sm=330 Sa=220 Smax=550 Smin=110,问题一、试由图估计N=104, R=0.2时的应力水平,18,R=0.2 N=104, Sa=220, lgSa=2.342 N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=15

10、0, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.114,问题二、试由图估计R=0.2时的S-N曲线,19,2.3 影响疲劳性能的若干因素,1. 载荷形式的影响,Sf（弯）Sf（拉,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弯曲情况低,20,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，高应力区域体积越大。 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,2. 尺寸效应,尺寸效应可以用一个修正因子Csize表达为：

11、 Csize=1.189d-0.097 8mmd250mm 当直径d8mm时，Csize=1。 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,21,3. 表面光洁度的影响,由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短,材料强度越高， 光洁度的影响越大； 应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响越大,加工时的划痕、碰伤(尤其 在孔、台阶等高应力区)，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，效果越好。在缺口应力集中处采用,效果更好,4.表面处理的影响,残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应

12、力，使疲劳强度降低或寿命减小,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,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,提高寿命,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,23,镀铬或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。 材料强度越高，寿命越长，镀层越厚，影响越大,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50%甚至更多。材料强度越高，影响越大,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,镀锌或

13、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，可以减小其不利影响,24,Care 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 environments, and perio

14、dic overloads,用持久极限作为低于它将不出现疲劳的安全应力时, 必须要注意。 只有普通碳钢和低合金钢才有上述特性，且这一特性可能由于高温、腐蚀环境和周期超载而消失,25,As a general trend the following factors will reduce the value of endurance limit: Tensile mean stress, Large section size, Rough surface finish, Chrome and nickel plating, Decarborization (due to forging and

15、hot rolling,拉伸平均应力 大截面尺寸 表面粗造 镀铬和镀镍 锻造或热轧脱碳,26,The following factors tend to increase the endurance limit: Nitriding, hardening carbonization, shot peening, Clod rolling,渗氮 硬化处理 碳化（渗碳） 喷丸 冷轧,27,再 见,习题：2-2，2-4，2-5,再见,谢谢,第一次课完请继续第二次课,返回主目录,28,第二章 应力疲劳,2.1 S-N曲线,2.2 平均应力的影响,2.3 影响疲劳性能的若干因素,2.4 缺口疲劳,2.5

16、 变幅载荷谱下的疲劳寿命,2.6 随机谱与循环计数法,返回主目录,29,2.4 缺口疲劳 (notch effect,Almost all machine components and structural members contain some form geometrical or microstructural discontinuities. These discontinuities, or stress concentrations, often result in maximum local stresses at the discontinuity which are man

17、y times greater than the nominal stress of the members. In ideally elastic members the ratio of these stresses is designated as Kt , the theoretical stress concentration factor,30,In the stress-life approach the effect of notches is accounted for by the fatigue notch factor, Kf , which is the ratio

18、between the unnotched fatigue strength of a member and the corresponding notched fatigue strength at a given life. In general, the fatigue notch factor, Kf , is smaller then Kt,在应力寿命法中，缺口的影响是用疲劳缺口系数Kf 表示的， Kf 是在给定寿命下，无缺口构件疲劳强度与相应的缺口件疲劳强度之比。一般地说，疲劳缺口系数Kf 小于理论弹性应力集中系数Kt,31,2.5 变幅载荷谱下的疲劳寿命 variable amp

19、litude loading,Up to now, the discussion about fatigue behavior has dealt with constant amplitude loading. In contrast, most service loading histories have a variable amplitude and can be quite complex,到目前为止，关于疲劳性能的讨论处理的都是恒幅载荷。然而事实上，大多数使用载荷历程具有可变的幅度且可能相当复杂,32,1.变幅载荷谱,载荷谱分实测谱和设计谱,33,2. Miner线性累积损伤理论,

20、若构件在某恒幅应力水平S作用下，循环至破坏的寿命为N，则循环至n次时的损伤定义为： D=n/N,若n=0, 则D=0， 构件未受损伤,D随循环数n线性增长,若n=N，则D=1， 发生疲劳破坏,疲劳破坏判据为： D=1,Di=ni /Ni,34,Miner累积损伤理论是线性的； 损伤和D与载荷Si的作用次序无关,ni 是在 Si作用下的循环次数，由载荷谱给出； Ni 是在 Si下循环到破坏的寿命，由 S-N曲线确定,若构件在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，总损伤为： ( i=1,2,.k,35,线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关,36,3. Miner理论的应用,变幅载荷下，应用Mi

21、ner理论，可解决二类问题： 已知设计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。 已知一典型周期内的应力块谱，估算使用寿命,利用Miner理论进行疲劳分析的一般步骤为,37,例2 已知S-N曲线为S2N=2.51010；设计寿命期间 载荷谱如表。试估计最大可用应力水平S,解： 假定载荷P时的应力水平为Si=200MPa。 由S-N曲线得到Ni, 计算损伤Di，列入表中,可知，若取S=200MPa, D=1.751,发生疲劳破坏。 再取S=150MPa, 算得： D=0.981, 可达设计寿命,总损伤 D=Di=ni/Ni=1.75,Di=ni/Ni 0.080 0.102 0.288 1.280,38

22、,解：由S-N曲线算Ni,例3 构件S-N曲线为S2N=2.51010；若其一年内所 承受的典型应力谱如表，试估计其寿命,设构件寿命为年，则总损伤应当是 D=(ni/Ni,计算 Di=ni/Ni,一年的损伤为： (ni/Ni)=0.121,ni/Ni)=0.121,Miner理论给出： D=(ni /Ni)=1 故有： =1/(ni /Ni)=1/0.121=8.27 （年,39,设由使用经验知构件在B谱下的寿命为NB，则,4. 相对Miner 理论（Walter Schutz，1972,Miner理论是经验破坏准则。事实上应为： =Q Q与载荷谱型、作用次序及材料分散性有关,相对Miner理

23、论取消假定D=1，由已有经验确定Q,待求的另一相似构件在A谱下的寿命为NA，又有,40,使用条件： 1.是构件相似，主要是疲劳破坏发生的高应力区 几何相似； 2.载荷谱相似，主要是载荷谱型（次序）相似， 载荷大小可以不同,若A谱相似于B谱，则假定 QA=QB，可得,许多改进设计，可以借鉴过去原型的使用经验；间接考虑了载荷谱型、作用次序及材料分散性的影响；故相对Miner理论预测精度好，应用广泛,41,解：由Miner理论有： NA(n/N)A=1 得到 ： NA=1/0.08=12.5年,例4 已知某构件使用一年的损伤为 (n/N)B=0.121， 实际使用寿命为6年，现改型设计，应力水平 减

24、轻后，一年的损伤和为(n/N)A=0.08, 试用估 计其寿命,利用已知原构件的数据： (n/N)B=0.121, NB=6年； 由相对Miner理论有： NA=NB(n/N)B/(n/N)A =60.121/0.08=9.1年,42,变幅载荷疲劳分析的方法,1) 已知典型周期内的应力谱，估算使用寿命l,典型应力谱(Si, ni,判据 lD=1,S-N曲线,2) 已知应力谱型和寿命，估计可用应力水平,应力谱型(Si？, ni,判据 D=1,S-N曲线,43,The linear damage rule has two main shortcomings. First, it does not

25、consider sequence effects, the theory predicts that the damage caused by a stress cycle is independent of where it occurs in the load history. Second, the linear damage rule is amplitude independent. This last trend does not correspond to observed behavior,线性损伤理论有二个主要缺点。一是没有考虑次序影响，某应力循环引起的损伤与该循环在载荷历

26、程中的位置无关；二是线性损伤理论与载荷幅度无关，后者与实验观察并不相符,44,2.6 随机谱与循环计数法,恒幅载荷,变程： 相邻峰、谷点载荷值之差。有正、负变程,反向点：峰或谷 斜率改变符号 之处,45,To predict the life of a component subjected to a variable load history, it is necessary to reduce the complex history into a number of events which can be compared to the available constant amplitu

27、de test data. This process of reducing a complex load history into a number of constant amplitude events is termed cycle counting,为预测承受变幅载荷历程构件的寿命，需要将复杂历程简化为一些与可用恒幅试验数据相比的事件。这一将复杂载荷历程简化为一些恒幅事件的过程，称为循环计数,46,适于以典型载荷谱段表示的重复历程,2. 简化雨流计数法 （rainflow counting,雨流计数法 要求典型段从最大峰或谷处起止,47,简化雨流计数方法,第一次雨流,谱转90，雨滴下

28、流。若无阻挡，则反向，流至端点,记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出S, Sm,删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数,48,简化雨流计数结果,第一次雨流,雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。 典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可,49,若转换时 R不变， N1、N2可用相同的S-N曲线 SmN=C 表示时，等损伤转换条件为： n2=n1(N2/N1)=n1(S1/S2)m,4. 不同载荷间的转换,计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级,不同载荷间转换的原则: 损伤等效,将S1下循环n1次的载荷，转换成S2下循环n2次，等损伤转换条件为： n1/N1=n2/N2 或 n2=n1(N

29、2/N1) N1、N2分别为在(S1, R1)和(S2 ,R2)下的寿命,50,小 结,1) 应力疲劳是弹性应力控制下的长寿命疲劳。 （SmaxSy, Nf103-4次,2) S-N曲线描述材料的疲劳性能。 R=-1时的S-N曲线是基本S-N曲线。 S-N曲线： SmN=C,3) Goodman直线反映平均应力或应力比的影响； (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 (等寿命直线) 拉伸平均应力有害。 喷丸、冷挤压引入残余压应力可改善疲劳性能,51,7) 随机谱可用计数法计数。转换成变幅块谱。 雨流法是典型谱二参数全循环计数法,6) Miner理论可用于变幅载荷下的寿命估算， Miner 理论： D=