疲劳和断裂第二讲.pdf

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1、第二章应力疲劳2.1S-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1返回主目录第二章应力疲劳应力s4S应力疲劳:Smax10，y也称高周疲劳。应变疲劳:Smax>Sy，Nf<104，o应变e也称低周应变疲劳。2.1S-N曲线应力水平（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2基本S-N曲线：R=

2、-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。S1.一般形状及特性值用一组标准试件，在R=-1下，SN施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。103104105106107Nf疲劳强度(fatiguestrength)SN：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。3疲劳极限(endurancelimit)S：f寿命N趋于无穷大时所S对应的应力S的极限值Sf。SN“无穷大”一般被定义为：Sf7钢材，10次循环；103104105106107Nf6焊接件，2×10次循环；8有色金

3、属，10次循环。特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。42.S-N曲线的数学表达1)幂函数式Sm.N=Cm与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。LgS二边取对数，有:lgS=A+BlgNSfS-N间有对数线性关系；34567LgN参数A=LgC/m,B=-1/m。5ms.2)指数式：eN=CS二边取对数后成为：SfS=A+BlgN34567（半对数线性关系）LgN3)三参数式(S-S)m.N=Cf考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N

4、。最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于N>103-104。63.S-N曲线的近似估计1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系SMPa斜线OA+水平线ABf800ABR=-1，旋转弯曲时有：旋转S=0.5S弯S/S=0.5fuf(bending)u曲500疲S=700f(S<1400MPa)劳u极200限分散在(0.3-0.6)Su间050010001500S=700MPaf(bending)材料极限强度SMPau(Su>1400MPa)常用金属材料数据图7轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：S=0.7

5、S=0.35Sf(tension)f(benting)u实验在(0.3-0.45)Su之间扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：S=0.577S=0.29Sf(torsion)f(benting)u实验在(0.25-0.3)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。注意，不同载荷形式下的S和S-N曲线是不同的。f82)无实验数据时S-N曲线的估计(供初步设计参考)已知Sf和Su,S-N曲线用Sm.N=C表达。假定1：寿命N=103时，有：S103=0.9Su；高周疲劳：N>103

6、。LgSSu假定2：寿命N=106时，S106=Sf=kSu,Sf如弯曲时，k=0.5。01234567LgN故由S-N曲线有：(0.9Su)m×103=(kSu)m×106=C参数为：m=3/lg(0.9/k)；C=(0.9Su)m×1039S2.2平均应力的影响SmR，Sm；且有：R=0tS=(1+R)S/(1-R)R=-1/3maR=-1R的影响Sm的影响Sa1)一般趋势R增大Sm<0Sa不变，RorSm；N；Sm=0Sm>0N不变，RorSm；SN;NSm>0,对疲劳有不利的影

7、响；Sm<0,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。102）S-S关系SaN=104am如图，在等寿命线上，S-17N=10Sm，Sa；SmSu。SuSmHaigh图:(无量纲形式)N=107,当S=0时，S=S；Sa/S-1Haigh图ma-11Gerber7当Sa=0时，Sm=Su。N=10Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1GoodmanGoodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=101Sm/Su对于其他给定的N，只需将S-1换成S

8、a(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。112.3影响疲劳性能的若干因素1.载荷形式的影响ddS（弯）＞S（拉）弯拉ffSmaxSmaxDD疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵弯载荷、尺寸不同时的曲拉伸抗疲劳破坏的能力。高应力区域体积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