材料的疲劳与断裂.ppt
第14章（目录）,材料力学,14.1 概述*,14.2 固体材料的理论断裂强度和应力判据*,第十四章 材料的疲劳与断裂,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,14.5 构件的疲劳极限,14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,第十四章 材料的疲劳与断裂,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理（目录）,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,一、疲劳的概念,二、疲劳破坏的实例,三、疲劳破坏的机理,四、交变应力的种类,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,一、疲劳的概念,轮轴表面A点的正应力,式中,称为应力幅,交变应力随时间作周期性变化的应力,一、疲劳的概念,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,一、疲劳的概念,疲劳失效在交变应力作用下发生的突然断裂现象,交变应力引起的破坏与静应力引起的破坏截然不同,疲 劳,实践表明：,一、疲劳的概念,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,40人死亡；14人受伤；直接经济损失631万元。,1999年1月4日，我国重庆市綦（qi）江县彩虹桥发生垮塌，造成：,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,力学问题：,大部队过桥时不能齐步走？人跑步时脚上的力量有多大？冲击载荷与跑步的次数的关系？损伤累积与结构寿命,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,二、疲劳破坏的实例,人跑步时脚上的力量有多大？,二、疲劳破坏的实例,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,三、疲劳破坏的机理,疲劳失效的特点：,2.即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性,变形，呈脆性断裂破坏；,1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然,断裂；,3.断口明显地分为光滑区和粗糙区。,三、疲劳破坏的机理,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,三、疲劳破坏的机理,疲劳失效过程：,产生微观裂纹（称为疲劳源或裂纹源）；,2.在微裂纹的尖端产生应力,1.在足够大的交变应力作用下，构件内的最大应力作,用处或缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，,3.随着交变应力继续作用，,集中，在交变应力的作用,下，微裂纹扩展，形成宏,观裂纹；,宏观裂纹扩展，最终构件,断裂。,三、疲劳破坏的机理,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,三、疲劳破坏的机理,疲劳失效实质：,疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在名义应力低于抗拉强度（甚至低于屈服应力）的情况下，会突然发生断裂。,由于材料中裂纹的形成和扩展的结果,已有资料表明：承受交变应力构件的失效（如飞机、火车和机器）绝大部分是疲劳失效。,三、疲劳破坏的机理,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,四、交变应力的种类,强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化,j梁在静平衡位置时的应力,max梁在最大位移时的应力,min 梁在最小位移时的应力,四、交变应力的种类,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,四、交变应力的种类,一个应力循环重复变化一次的过程,循环次数应力重复变化的次数,周期完成一个应力循环所需要的时间,四、交变应力的种类,强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,四、交变应力的种类,交变应力的循环特征（应力比）：,应力循环中的平均应力,应力循环中的应力幅,四、交变应力的种类,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,四、交变应力的种类,2.非对称循环,即：,1.对称循环,非对称循环=平均应力+对称循环,四、交变应力的种类,应力循环种类：,14.3 材料的疲劳破坏特征及机理,四、交变应力的种类,应力循环种类：,或,4.静应力交变应力的特例,3.脉冲循环,脉冲循环和静应力为非对称循环,四、交变应力的种类,第十四章 材料的疲劳与断裂,14.4 SN曲线及疲劳极限的测定（目录）,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,一、疲劳的强度指标,二、疲劳极限的测定方法,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,一、疲劳的强度指标,在交变应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力时就可能发生疲劳失效，因此，屈服应力或抗拉强度不能作为疲劳强度指标。,材料的疲劳强度指标必须由疲劳强度试验测定,一、疲劳的强度指标,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,一、疲劳的强度指标,试验表明：在某一循环特性下，若最大应力不超过某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而不发生疲劳。,通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r 时的疲劳极限（持久极限），用表示r。,疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标,疲劳极限与循环特性有关,对称循环时的疲劳极限最小,对称循环是交变应力中的最危险情况,一、疲劳的强度指标,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,二、疲劳极限的测定方法,疲劳极限的测定：,2.第一根试样承受max0.7b；,通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,测定步骤：,1.准备610个d=710 mm光滑小试样；,3.逐步减小max，直到循环次数很大时，得到,-1=max。,二、疲劳极限的测定方法,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,二、疲劳极限的测定方法,二、疲劳极限的测定方法,疲劳极限的测定：,通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,二、疲劳极限的测定方法,以最大应力为纵坐标，循环次数(寿命)为横坐标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为应力寿命曲线或S-N曲线。,二、疲劳极限的测定方法,14.4 S-N曲线及疲劳极限的测定,二、疲劳极限的测定方法,常温试验结果表明：,若钢材经过107次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。,钢材的疲劳极限经107次循环仍未发生疲劳的最大,循环基数N0=107循环次数,应力,二、疲劳极限的测定方法,第十四章 材料的疲劳与断裂,14.5 构件的疲劳极限（目录）,14.5 构件的疲劳极限,一、构件外形的影响,二、构件尺寸的影响,三、构件表面质量的影响,四、构件各种因素的影响,14.5 构件的疲劳极限,一、构件外形的影响,一、构件外形的影响,对称循环下，有效应力集中系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 无应力集中的光滑试样的疲劳极限,或 有应力集中且尺寸与光滑试样相同,的试样的疲劳极限,14.5 构件的疲劳极限,二、构件尺寸的影响,二、构件尺寸的影响,对称循环下，尺寸系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 光滑大试样的疲劳极限,或 光滑小试样的疲劳极限,14.5 构件的疲劳极限,三、构件表面质量的影响,三、构件表面质量的影响,对称循环下，表面质量系数定义为,式中,表面磨光试样的疲劳极限,光滑 小 试样的疲劳极限,14.5 构件的疲劳极限,四、构件各种因素的影响,考虑上述各因素的影响，在对称循环下，构件的持久极限为,拉压、弯曲：,扭转：,四、构件各种因素的影响,第十四章 材料的疲劳与断裂,14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法（目录）,14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,一、定义,对称循环下，构件的疲劳强度条件为,式中,许用应力,构件的疲劳极限,n 安全因数,材料力学,结束,课程全部结束了!,
