2022年医学专题—疲劳与断裂-应力疲劳1(1).ppt

1,第二章 应力(yngl)疲劳,2.1 S-N曲线(qxin),2.2 平均(pngjn)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,第一页，共二十九页。,2,应力疲劳(plo):Smax104，也称高周疲劳。应变疲劳:SmaxSy，Nf104，也称低周应变疲劳。,应力水平（S）用R和Sa描述(mio sh)。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,2.1 S-N曲线(qxin),第二页，共二十九页。,3,R=-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线，是材料的基本疲劳(plo)性能曲线。,基本(jbn)S-N曲线：,1.一般形状(xngzhun)及特性值,用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。,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。,疲劳强度(fatigue strength)SN：,第三页，共二十九页。,4,“无穷大”一般(ybn)被定义为：钢材，107次循环；焊接件，2106次循环；有色金属，108次循环。,疲劳极限(endurance limit)Sf：,寿命(shumng)N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值 Sf。,特别地，对称循环(xnhun)下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.,满足SSf的设计，即无限寿命设计。,第四页，共二十九页。,5,2.S-N曲线(qxin)的数学表达,1)幂函数式 Sm.N=C,m与C是与材料、应力比、加载方式(fngsh)等有关的参数。二边取对数，有:lg S=A+B lgN S-N间有对数线性关系；参数 A=LgC/m,B=-1/m。,第五页，共二十九页。,6,考虑(kol)疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N。,2)指数(zhsh)式 em s.N=C,二边取对数(du sh)后成为：S=A+B lg N（半对数线性关系）,最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于 N103-104。,3)三参数式(S-Sf)m.N=C,第六页，共二十九页。,7,3.S-N曲线的近似(jn s)估计,斜线OA+水平线ABR=-1，旋转(xunzhun)弯曲时有：Sf(bending)=0.5Su(Su 1400MPa),1)疲劳极限Sf与极限(jxin)强度Su之关系,第七页，共二十九页。,8,轴向拉压载荷作用(zuyng)下的疲劳极限可估计为：Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su 实验在(0.3-0.45)Su之间,高强脆性材料，极限(jxin)强度Su取为 b；延性材料,Su取为 ys。,扭转载荷作用(zuyng)下的疲劳极限可估计为：Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 实验在(0.25-0.3)Su之间,注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的。,第八页，共二十九页。,9,故由S-N曲线(qxin)有：(0.9Su)m103=(kSu)m106=C 参数为：m=3/lg(0.9/k)；C=(0.9Su)m103,假定1：寿命(shumng)N=103时，有：S103=0.9Su；高周疲劳：N103。,已知Sf 和 Su,S-N曲线(qxin)用 Sm.N=C 表达。,假定2：寿命N=106时，S106=Sf=kSu,如弯曲时，k=0.5。,第九页，共二十九页。,10,R，Sm；且有：Sm=(1+R)Sa/(1-R)R的影响(yngxing)Sm的影响,Sm0,对疲劳有不利的影响；Sm0,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(t go)寿命。,2.2 平均应力(yngl)的影响,1)一般趋势,Sa不变，R or Sm；N；N不变，R or Sm；SN;,第十页，共二十九页。,11,2）Sa-Sm关系(gun x),如图，在等寿命(shumng)线上，Sm，Sa；SmSu。,Haigh图:(无量(wling)纲形式)N=107,当Sm=0时，Sa=S-1；当Sa=0时，Sm=Su。,对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(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。,Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1,第十一页，共二十九页。,12,解：1.工作(gngzu)循环应力幅和平均应力：Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2=440 MPa,例2.1:构件受拉压循环应力作用，Smax=800 MPa,Smin=80 MPa。若已知材料的极限强度为 Su=1200 MPa，试估算其疲劳(plo)寿命。,2.估计(gj)对称循环下的基本S-N曲线：Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本S-N曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314；C=(0.9Su)m103=1.5361025,第十二页，共二十九页。,13,4.估计构件寿命 对称循环(Sa=568.4,Sm=0)条件下的寿命，可由基本(jbn)S-N曲线得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105(次),3.循环应力水平等寿命转换(zhunhun)利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工作循环应力水平,等寿命地转换为对称循环下的应力水平Sa(R=-1)，由Goodman方程有：(Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出：Sa(R=-1)=568.4 MPa,第十三页，共二十九页。,14,重画Sa-Sm关系图。射线斜率(xil)k,k=Sa/Sm；又有 R=Smin/Smax=(Sm-Sa)/(Sm+Sa)=(1-k)/(1+k)k、R 一一对应，射线上各点R相同。,3)等寿命(shumng)疲劳图,且有：k=1(45线)时，Sm=Sa，R=0;k=(90线)时，Sm=0，R=-1;k=0(0线)时，Sa=0，R=1;,h,作 DCOA，DC是R的坐标(zubio)线，如何标定？,第十四页，共二十九页。,15,故可知(k zh):R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值在AC上 线性标定即可。,设AB=h，OB的斜率(xil)为：k=Sa/Sm=(OAsin45-hsin45)/(OAcos45+hcos45)=(OA-h)/(OA+h),第十五页，共二十九页。,16,如此得到(d do)的图，称为等寿命疲劳图。由图可以:直接读出给定寿命N下的Sa、Sm、Smax、Smin、R；在给定R下，由射线与等寿命线交点读取数据，得到不同R下的 S-N曲线。,可见(kjin)，S1表示Smin,坐标按0.707 标定；还可证,S2表示Smax。,第十六页，共二十九页。,17,N=104,R=0.2Sm=330Sa=220Smax=550Smin=110,问题一、试由图估计N=104,R=0.2时的应力(yngl)水平。,第十七页，共二十九页。,18,R=0.2N=104,Sa=220,lgSa=2.342N=105,Sa=180,lgSa=2.255 N=106,Sa=150,lgSa=2.176 N=107,Sa=130,lgSa=2.114,问题二、试由图估计(gj)R=0.2时的S-N曲线。,第十八页，共二十九页。,19,2.3 影响(yngxing)疲劳性能的若干因素,1.载荷形式(xngsh)的影响,Sf（弯）Sf（拉）,拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生(mngshng)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，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。,第十九页，共二十九页。,20,同样可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，高应力区域体积越大。疲劳发生(fshng)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越大。,2.尺寸(ch cun)效应,尺寸效应可以用一个修正因子(ynz)Csize表达为：Csize=1.189d-0.097 8mmd250mm 当直径d8mm时，Csize=1。尺寸修正后的疲劳极限为：Sf=CsizeSf.尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。,第二十页，共二十九页。,21,3.表面(biomin)光洁度的影响,由疲劳破坏(phui)机理知，表面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。,材料强度越高，光洁度的影响越大；应力水平越低，寿命(shumng)越长，光洁度的影响越大。,加工时的划痕、碰伤(尤其 在孔、台阶等高应力区)，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。,第二十一页，共二十九页。,22,材料强度越高，循环(xnhun)应力水平越低，寿命越长，效果越好。在缺口应力集中处采用,效果更好。,4.表面处理(chl)的影响,残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低(jingd)或寿命减小。,疲劳裂纹常起源于表面。在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。,表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等；都可在表面引入残余压应力,提高寿命。,温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在350C以上,铝在150C以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。,第二十二页，共二十九页。,23,镀铬或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。材料强度越高，寿命越长(yu chn)，镀层越厚，影响越大；,热轧或锻造，会使表面(biomin)脱碳，强度下降并在表面(biomin)引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低50%甚至更多。材料强度越高，影响越大。,渗碳或渗氮，可提高表层材料强度并引入残余压应力，使钢材(gngci)疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。,镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。,镀前渗氮，镀后喷丸等，可以减小其不利影响。,第二十三页，共二十九页。,残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低(jingd)或寿命减小。,温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在350C以上,铝在150C以上，就可能出现(chxin)应力松弛，影响疲劳寿命。,五、其他因素(yn s)的影响,腐蚀介质将加速疲劳裂纹的产生腐蚀疲劳。,第二十四页，共二十九页。,25,Care should be taken when using the idea of an endurance limit,a“safe stress”below which fatigue will not occur.Only plain carbon and low-alloy steel exhibit this property,and it may disappear due to high temperatures,corrosive environments,and periodic overloads.,用持久极限作为低于它将不出现疲劳的安全应力(yngl)时,必须要注意。只有普通碳钢和低合金钢才有上述特性，且这一特性可能由于高温、腐蚀环境和周期超载而消失。,第二十五页，共二十九页。,26,As a general trend the following factors will reduce the value of endurance limit:Tensile mean stress,Large section size,Rough surface finish,Chrome and nickel plating,Decarborization(due to forging and hot rolling),拉伸平均应力 大截面尺寸(ch cun)表面粗造 镀铬和镀镍锻造或