秦飞编著《材料力学》第13章 疲劳强度

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1、秦飞编著《材料力学》PPT讲义第13章疲劳强度Fatigue秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度2本章主要内容13.1疲劳破坏与循环应力13.2材料的S-N曲线和疲劳极限13.3影响构件疲劳极限的主要因素13.4构件的疲劳强度计算*13.5变幅循环应力与累积损伤理论秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度313.1疲劳破坏与循环应力什么是疲劳破坏：承受循环应力的点或某些点，在足够多次的循环作用后形成裂纹或完全断裂。在材料中发生的这种局部的、永久性的结构变化的发展过程，称为疲劳（fatigue)。疲劳破坏发生的条件：循环应力（cyclicstress)

2、或称为交变应力，即随时间变化的应力。循环应力是由循环载荷引起的。循环载荷是指随时间变化的载荷，其种类可以是力、应力、应变、位移、温度等；循环载荷随时间的变化可以是规则的，也可以是不规则的，甚至是随机的。描述载荷－时间变化关系的图表，称为载荷谱。由应力表示的载荷谱称为应力谱。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度413.1疲劳破坏与循环应力疲劳破坏疲劳破坏的特点：1.最大工作应力远小于构件静强度。2.破坏方式：脆性断裂。3.断口形貌：疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和瞬间断裂区（光滑区+粗糙区）。疲劳源区粗糙区(瞬间断裂区)光滑区（稳定扩展区）疲劳弧线承

3、受轴向拉压循环应力的圆截面杆-疲劳破坏断口秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度513.1疲劳破坏与循环应力疲劳破坏疲劳断裂过程及断口形貌的形成特征裂纹萌生：形成微裂纹，汇集形成疲劳源。裂纹(稳定)扩展：裂纹缓慢稳定地扩展，形成宏观裂纹。裂纹面反复开闭相互研磨而形成光滑区。扩展阶段减小或者停止加载时称为裂纹休止期，断口上会形成疲劳弧线。断裂：裂纹稳定扩展到某一临界尺寸，剩余的横截面面积不足以承受载荷，发生快速扩展而断裂。对应断口的粗糙区。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度613.1疲劳破坏与循环应力应力谱最大应力σmax最小应力σmin平均应力σ

4、m应力幅σa应力范围Δσ应力比r秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度713.1疲劳破坏与循环应力应力谱应力循环分类：按应力幅是否为常量分为常、变幅应力循环按r取值分为对称循环和非对称循环秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度813.1疲劳破坏与循环应力例题13-1判断图示应力谱的种类，并写出它们的应力比。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度913.1疲劳破坏与循环应力例题13-2试绘出图示火车车轴危险点的应力谱，并判断应力谱的种类。解：A、B截面上的弯矩为M=Fa，为危险截面，截面边缘各点均为危险点。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度1013.1

5、疲劳破坏与循环应力例题13-2取车轴横截面上任一点H，建立如图坐标系。设零时刻H位于位置1，则t时刻后，H的坐标为则H点的弯曲正应力为应力比r=1，为对称循环应力。应力谱秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度1113.2材料的S-N曲线和疲劳极限在循环应力作用下，材料的破坏行为与静应力下完全不同，需要通过试验得到材料在循环应力作用下的力学性能—疲劳极限。测试材料疲劳极限主要采用旋转弯曲疲劳试验机。德国铁路工程师沃勒(AugustWöhler)发明。试验方法：选取n个同批次加工的光滑小试样，逐一进行疲劳试验，记录每个试样的最大应力Smax和破坏时的应

6、力循环次数N（即疲劳寿命），建立N或lgN为横坐标、Smax为纵坐标的坐标系，用描点作图法或数理统计拟合法做出Smax—N曲线，即S-N曲线。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度1213.2材料的S-N曲线和疲劳极限S-N曲线和疲劳极限对称弯曲循环应力下的S-N曲线实验表明，低碳钢等的S-N曲线存在一条水平渐近线，其纵坐标所对应的应力值称为材料的疲劳极限，用σ-1表示。铝合金等有色金属材料的S-N曲线没有水平渐近线，不存在疲劳极限。工程中通常用一个指定的寿命N0所对应的最大应力作为这类材料的疲劳极限，称为条件疲劳极限，，N0的取值范围一般为N0＝

7、5×105～107（次）。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度13试验发现，钢材的疲劳极限与其静强度极限σb之间存在下述关系：13.2材料的S-N曲线和疲劳极限S-N曲线和疲劳极限可见，循环应力作用下，材料抵抗破坏的能力显著下降。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度1413.2材料的S-N曲线和疲劳极限S-N曲线的数学描述(1)幂函数描述材料S-N曲线最常用的形式是幂函数，即两边取对数，得式中m、C是与材料、应力比和加载方式等有关的参数上式表明应力S与寿命N之间为对数线性关系。秦飞编著《材料力学》第13章疲劳强度1513.2材料的S-N曲线和疲劳

8、极限S-N曲线的数学描述(2)指数函数指数形式的S-N曲线表达式为两边取对数得式中上式表明应力S与寿命N之间为半对数线性关系。秦飞编著《