第十四章第十四章第十四章第十四章 疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度111 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效112 交变应力的几个名词术语交变应力的几个名词术语113 材料持久限及其测定材料持久限及其测定114 构件持久限及其计算构件持久限及其计算115 对称循环下对称循环下构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算116 非常温静载下材料力学性能简介非常温静载下材料力学性能简介交变应力：交变应力：随时间周期性变化的应力。随时间周期性变化的应力。11-111-1交交变应力与疲力与疲劳失效失效齿轮传动：齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力就是交变应力。折铁丝折铁丝PP应力循环：应力循环：交变应力每重复变化一次的过程。交变应力每重复变化一次的过程。 疲劳强度：疲劳强度：抵抗疲劳破坏的能力。抵抗疲劳破坏的能力。疲劳破坏：疲劳破坏：构件在交变应力的作用下发生的破坏。构件在交变应力的作用下发生的破坏。1最大工作应力远小于材料强度极限，甚至小于屈服最大工作应力远小于材料强度极限，甚至小于屈服 极限；破坏时的循环次数大约在极限；破坏时的循环次数大约在105107疲劳破坏的主要特点：疲劳破坏的主要特点：2无论塑性材料还是脆性材料都发生脆性断裂；无论塑性材料还是脆性材料都发生脆性断裂；3断口具有明显的特征。断口具有明显的特征。交变应力长期作用交变应力长期作用下由于裂纹萌生、扩展下由于裂纹萌生、扩展而导致的脆性断裂。而导致的脆性断裂。粗粗糙糙区区裂纹源裂纹源光滑区光滑区高周疲劳高周疲劳二、疲劳破坏的发展过程二、疲劳破坏的发展过程: :1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。2.产生微观裂纹。3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。4.宏观主导裂纹稳定扩展。5.结构失稳或完全断裂。材料在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。三、疲劳破坏的特点三、疲劳破坏的特点: :2.断裂发生要经过一定的循环次数3.破坏均呈脆断4.“断口”分区明显。 （光滑区和粗糙区）112 交变应力的几个名词术语交变应力的几个名词术语一、循环特征：一、循环特征：三、应力幅：三、应力幅：二、平均应力：二、平均应力：mminmaxaTtmt四、几种特殊的交变应力：四、几种特殊的交变应力：1.对称循环：minmaxaTt2.脉动循环：3.静循环：五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。minmaxatmmminmax材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系一般钢及常用合金钢：一般钢及常用合金钢：铸钢，可锻铸铁及铜合金铸钢，可锻铸铁及铜合金 同一种材料在不同同一种材料在不同 应力循环下的持久极限，应力循环下的持久极限，对称循环的持久极限最小。对称循环的持久极限最小。例例1 1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d，试求 a 、m 和 r。解：113 材料持久限及其测定材料持久限及其测定一、材料持久限一、材料持久限( (疲劳极限疲劳极限) )： 循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，用r 表示。二、二、 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：N0循环基数。r材料持久限。A名义持久限。N(次数)NAArN0114 构件持久限及其计算构件持久限及其计算一、构件持久限一、构件持久限 r 0 r0 与 r 的关系：1. K 有效应力集中系数：2. 尺寸系数：3. 表面质量系数： 如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。 对称循环下 ，r= -1 。上述各系数均可查表而得。例例2 阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，1= 420MPa ，1= 250MPa ，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。由图表查有效应力集中系数由表查尺寸系数f50f40r=52.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数应用直线插值法由表查尺寸系数115 对称循环下对称循环下构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算一一、对对称称循循环环的的疲疲劳劳容容许许应应力力: :二二、对对称称循循环环的的疲疲劳劳强强度度条条件件: :例例3 旋转碳钢轴上，作用一不变的力偶 M=0.8kNm，轴表面经过精车， b=600MPa，1= 250MPa，规定 n，试校核轴的强度。解： 确定危险点应力及循环 特征为对称循环f70f50r=7.5MM 强度校核 求K：求 ：查图得查图得求 ：表面精车， 安全应变循环：应变循环：交变应变每重复变化一次的过程。交变应变每重复变化一次的过程。 低周疲劳破坏低周疲劳破坏：构件在交变应变的作用下发生的破坏。构件在交变应变的作用下发生的破坏。1最大工作应力一般超过屈服最大工作应力一般超过屈服 极限；极限； 破坏时的循环次数大约在破坏时的循环次数大约在103105低周疲劳破坏的主要特点：低周疲劳破坏的主要特点：2一般在塑性材料中发生韧性断裂；一般在塑性材料中发生韧性断裂；3断口具有明显的特征。断口具有明显的特征。低周疲劳低周疲劳锆锆- -合金的低周疲劳断口微观形貌图合金的低周疲劳断口微观形貌图10m 交变应力长期作用下，由于微裂纹连接导致小裂纹萌生；小裂纹进一步扩展而导致的最终断裂。 采用微机控制电液伺服低周疲劳试验机，可以观察低周疲劳断口微观形貌图。2、变幅与过载影响裂纹扩展速率变幅与过载影响裂纹扩展速率 通过对带有环状型切口的#-钢圆棒料在恒幅过载和变幅过载下的低周次疲劳试验，表明变幅递增过载的裂纹扩展速率比恒幅过载裂纹扩展速率显著增大。基于试验事实和断口分析，说明过载时裂纹扩展速率瞬时显著增大是裂纹钝化的结果 。1、应变速率不同，材料循环变形的机理也不同应变速率不同，材料循环变形的机理也不同 在大应变速率疲劳时，材料是切割的变形机制；而在小变形速率疲劳条件下，是类似于蠕变变形的位错攀移机制。当循环次数增加时，发现有循环软化现象，即：外加载荷非对称，应变响应近似对称。 影响低周疲劳破坏的因素影响低周疲劳破坏的因素