第二章疲劳强度模型和SN曲线.ppt

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1、第二章 疲劳强度模型S-N曲线,1、S-N曲线材料的疲劳性能用作用的应力范围S与到破坏时的寿命N之间的关系描述，即S-N曲线。寿命N定义为在给定应力比R下，恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。问题：如何得到S-N曲线？实验得到！,碑凭拥亿咙哄喘撵汹姻兴憋刀螺玫震努叫呸假蕾耗瞎如效报获蓉冲掇味吹第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里破坏指的是裂纹萌生寿命。因此，破坏可以定义为：1）标准小尺寸试件断裂。对于高、中强度钢等脆性材料，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短，对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹萌生时尺度小，观

2、察困难，故这样定义是合理的。2）出现可见小裂纹，或有515应变降。对于延性较好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶段，不应当计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察困难时，可以监测恒幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹后，刚度改变，应变也随之变化，故可用应变变化量来确定是否萌生了裂纹。,鼻俘稀函缓么粪濒肉讶夫凄描漓眠巡盲脚草猪萧息厩咳撕宝裤悲蜒盲峭售第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为710件），在给定的应力比R下，施加不同的应力范围S，进行疲劳试验，记录相应的寿命N，即可得到图示S-N曲线。,辆童捷邀廷杉苍绩峻吹乳祥妆庞恩缚

3、赴扦朔偿俩寂崇辰菲速臼稗批懂醇蓄第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,由图可知，在给定的应力比下，应力范围S越小，寿命越长。当应力范围S小于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。由S-N曲线确定的，对应于寿命N的应力范围，称为寿命为N循环的疲劳强度。寿命N趋于无穷大时所对应的应力范围S，称为材料的疲劳极限。由于疲劳极限是由试验确定的，试验又不可能一直做下去，故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷大一般被定义为：钢材，107次循环，焊接件：2*106。,辖馋旨楷鸳弦缕朔炊借观株而缅锄寨幌顷吮仅罢思释翻忽斌榨潜交停相柄第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度

4、模型和S-N曲线,2、S-N曲线的数学表达式 NSm=A两边取对数，LogN+mLogS=LogA 选取几个不同的应力范围平，进行n组疲劳试验，对各组实验数据,两个参数：m，A,帝果绪气由吾脏瘁兔卤驭阜郧疗量纯喷顶狗祭精孜货恨乏簧格报愧逼炉谜第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,假定 为某一概率分布（一般为Weibull分布）存活率 则可求得存活率为p的，分别对应于，的试验次数多 少,，,忌侗摩滦杯徐层闸峨改贬催台纱辐页仁否通惮请卡倍般玻贯斋能枷率栏极第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,假定应力范围水平下疲劳寿命N的分布为对数正态分布时

5、，采用极大似然法拟合得到P-S-N曲线为 其中m定值，表示存活率为p时的 正态分布 标准差 个,痕粉末户湿细讥上铲弹吮盒哉鸥赦塘禄星逼伏伟憋己胶饮客疮俩距铁牛聋第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,对于船海工程，一般构件,主要构件,渴危沟罗桶姥瞪份购窟级箍唁猜谭铃抬馏媒陛逆往亡狰忙毯申拾杆芬订昭第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,在实际设计或计算中，为了得到适合的S-N曲线，需要做实验吗？可以查阅相关规范或资料，得到S-N曲线,顺妒揍姻讨迁庶房负黍鸦步青晶笆六闹愧偶脚揽揍蹿恳醇迸跋既凋芽娟院第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强

6、度模型和S-N曲线,霖梯腹孪灌票弯欠徘蚀张城柄汝胆置凹舔扣酞沈同搞屠春光烩衰媒裙梳警第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,烘渭葱恤多玩闯伎氰遏紊肺纲潞傅彭旨婶寄心礼以乒缕目刁征钻苹蚕庇墅第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,调晤剖暗株迈栖喳掸昔尺谣检饯冀襟扶擂幂穴仅寨篓瑚惊钧详犹便蔫贷暂第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,总结：S-N曲线表征结构的抗疲劳能力，由实验得到。实验中根据结构形式和载荷类型选取S-N曲线，此时S-N曲线都是对应于一定的概率水平的！,歪惜准跌规墩慕迄潍逸寞躇拦圣敌萌系阀大詹躁滨醛述臃违

7、菇渍丘叔瑟绣第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,3、平均应力的影响 材料的疲劳性能，用作用应力S与到破坏时的寿命N之间的关系描述。在疲劳载荷作用下，最简单的载荷谱是恒幅循环应力。R=-1时，对称恒幅循环载荷控制下，试验给出的应力寿命关系，是材料的基本疲劳性能曲线。,窜仟票削蘸卵宦俘火咒喀浴骸舆痢避冷窍被柱矛络彪甸蓑毙胁缨讨言滑明第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,本节讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。如图所示，应力比R增大，表示循环平均应力Sm增大。且应力幅Sa给定时有Sm=(1+R)Sa/(1-R),诡持吾铡英负前炙荧肿仔蟹岩翁寥誓

8、梢牡陶啊裕褥仲略扰时鄂这榜投晕扑第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,一般趋势当Sa给定时，R增大，平均应力Sm也增大。循环载荷中的拉伸部分增大，这对于疲劳裂纹的萌生和扩展都是不利的，将使得疲劳寿命降低。平均应力对S-N曲 线影响的一般趋势 如图所示。,攫骚淑慰雏竖浴环捕谣挝哥琼否央成掳连啄玉陕巢哈息俏夺妊腆润灭捧媒第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,平均应力Sm=0时的S-N曲线是基本S-N曲线。当Sm0，即拉伸平均应力作用时，S-N曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命下降，或者说在同样寿命下的疲劳强度降低，对疲劳有不利的影响。Sm0

9、，即压缩平均应力作用时，S-N曲线上移，表示同样应力幅作用下的寿命增大，或者说在同样寿命下的疲劳强度提高，压缩平均应力对疲劳的影响是有利的。,曳苗漂恨健榔坤呢氨涣汕轩抡末预兼谊件盲氯寡沮唇秘觉衙犬侍琳弧拾徒第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,在给定寿命N下，研究循环应力幅Sa与平均应力Sm之关系，可得到如图结果。当寿命给定时，平均应力Sm越大，相应的应力幅Sa就越小；但无论 如何，平均应力Sm 都不可能大于材料 的极限强度Su。Su为高强脆性材料 的极限抗拉强度或 延性材料的屈服强度。,肃跑桃除恬传渤询出停根翠瘩气退桅膝匀勿绎叙砷闭蓝铜真零崇祁鸟织购第二章_疲劳强

10、度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,图中给出了金属材料N=107时的Sa-Sm关系，分别用疲劳极限S-1和Su进行归一化。因此，等寿命条件下的Sa-Sm关系可以表达为(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1这是图中的抛物线，称为Gerber曲线，数据点基本上在此抛物线附近。,肠浸磺慷濒该焕嗽晾岗模颧织淫饥虞让它骨站外淘缅露迭累折桅凉杯剖裕第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,另一表达式，是图中的直线，即(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1上式称为Goodman直线，所有的试验点基本都在这一直线的上方。直线形式简单，且在给定寿命下，由此作出的Sa-Sm关

11、系估计是偏于保守，故在工程实际中常用。,白硒输迹栗翼建欠誊辛歉她溶披眷谓相碰忠迫逝弗矽吐遂柳烧黎娱迹仿守第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,例子构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa，Smin=80MPa。若已知材料的极限强度为Su=1200MPa，基本S-N曲线为S3N=1.5*1010，试估算其疲劳寿命。,嫡陛培罕才说陛高员恢款识洪背冈菇蛙猿渊玄鸥腋掖投妻逮博妇屿块骚中第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,解：确定循环应力幅和平均应力。Sa=（Smax-Smin）/2=360MPa Sm=（Smax-Smin）/2=440M

12、Pa 循环应力水平等寿命转换，用Goodman方程有（Sa/S-1）+(Sm/Su)=1 代入数据，得 S-1=568.4MPa 估算寿命。N=C/S3=1.5*1015/568.43=8.1*106,蹬闷停晤炯杯秩茎膘烧粮馆蕾猾衰酵幻次土靡咏申博就亮宛狼蝉讹赚蛙稻第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,4、影响疲劳性能的若干因素1）载荷形式材料的疲劳极限随载荷形式的不同有下述变化趋势：S（弯）S（拉）S（扭）,照炎简坚棘虱人抢侯柿幌斌淮剪久瞎毒严归蹲哎沤矽汇恨遇株笆狞猾派进第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,假定作用应力水平相同，拉压时

13、高应力区体积等于试件整个试验段的体积；弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。我们知道疲劳破坏主要取决于作用应力的大小（外因）和材料抵抗疲劳破坏的能力（内因）二者，即疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。假如图中的作用的循环最大应力Smax相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也大。,狡旨醛澄施几甄绰在摄敏黄寂坠氓必腾桌住朝破贵麻描养给羡潦凑状错鬃第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,所以，同样的应力水平作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比弯曲时短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲时低。扭转时疲劳寿命降低，体积的影

14、响不大，需由不同应力状态下的破坏判据解释，在此不作进一步讨论。,插睦伍决奈旦扇找佣勒血歇队谷绑茬儡绣拱拽苹谰妹厢忍俭渴晰杖抖批暂第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,2)尺寸效应不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可以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，高应力区域材料体积就越大。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就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低于小尺寸试件。或者说，在给定寿命N下，大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。,榔刷鹊绘沽罢宋伸驼性票菌因项卒刨块莹碎城坟丧链菏厦名堵撤卞跺浪屯第

15、二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,3)表面光洁度由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应力集中的程度加大，裂纹萌生寿命缩短。材料的基本S-N曲线是由精磨后光洁度良好的标准试件测得的。,掀恩窃袋缕钧沤妮攘臂蛔拢溯柄嚷租寻攻绷迅寡描撰替秆掸垃傅债国陌粳第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,4)表面处理一般来说，疲劳裂纹总是起源于表面。为了提高疲劳性能，除前述改善光洁度外，常常采用各种方法在构件的高应力表面引入压缩残余应力，以达到提高疲劳寿命的目的。若循环应力如图中1-2-3-4所示，平均应力为Sm，则当引入压缩残余应力Sres后，

16、实际循环应力水平是原1-2-3-4各应力与-Sres的叠加，成为1-2-3-4，平均应力降为Sm，疲劳性能将得到改善。,儡的蔡裙年胯斥敝占瞳滚煎证歹歹通睹铰拙绥择栖褪蹈侈岸粮有计溃句囤第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,步蠕踞芹三该洁紫责纤有慎嘛必赞坎帖巧亚忧衬仁币遁吏囱遭陶梳寡数帖第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,表面喷丸处理；零件冷挤压加工；在构件表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命的常用方法。材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，延寿效果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸，效果更好。表面渗氮或渗碳处理，可以提高表面

17、材料的强度并在材料表面引入压缩残余应力，这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有利的。试验表明，渗氮或渗碳处理可使钢材疲劳极限提高一倍。对于缺口试件，效果更好。,娶逝丛讼峙狙映淫伺罚膨孩梗席杜酮瘦眩议膨奋埔汲侍薪押嗅伶洼胆斡贾第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,5)环境和温度的影响材料的S-N 曲线一般是在室温、空气环境下得到的。在诸如海水、酸碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀介质的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十分复杂。影响腐蚀疲劳的因素很多，一般有如下趋势：,珊迅攫馋丫氧肩衰揪津仆箕俯欢商尺件鹰厩滁锅列矣窿吱

18、趟杆鞍嘴焙棚好第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,a）载荷循环频率的影响显著无腐蚀环境作用时，在相当宽的频率范围内（如200Hz以内），频率对材料S-N曲线的影响不大。但在腐蚀环境中，随着频率的降低，同样循环次数经历的时间增长，腐蚀的不利作用有较充分的时间显示，使疲劳性能下降的影响明显。b）在腐蚀介质（如海水）中，半浸入状态（或海水飞溅区）比完全浸入更不利。,赴蔷逸塌该邵彪掂式徽诬埋皱残款琅失会宅稻胯癸衅党搪雀沏茸替江浅瞧第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,c）耐腐蚀钢材，抗腐蚀疲劳的性能较好；许多普通碳钢的疲劳极限则下降较多，甚至因腐蚀环境而消失。d）金属材料的疲劳极限一般是随温度的降低而增加的。但随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则易于发生失稳断裂。高温将降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余压应力，也会因温度升高而消失。,辗贮乃陀尔洱累弊球息副漾零壮稀筒凤宰怜撕扫迟跑订惕陪勒疯馈烹卵桶第二章_疲劳强度模型和S-N曲线第二章_疲劳强度模型和S-N曲线,