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1、第二講 疲勞強(qiáng)度及影響因素,一、基本概念： 1、疲勞破壞的特征 （1）疲勞的定義 材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于產(chǎn)生了局部永久性結(jié)構(gòu)變化，從而在一定循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程。 （2）交變載荷（循環(huán)載荷、疲勞載荷） 載荷的大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則、隨機(jī)性的變化。 疲勞載荷包括隨機(jī)載荷和確定性載荷,（3）疲勞破壞的特征 a、交變應(yīng)力水平低：應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限或屈服極限，破壞就又可能發(fā)生。 b、脆性斷裂： C、具有局部性： d、疲勞過(guò)程是一個(gè)累計(jì)損傷的過(guò)程： 裂紋形成裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)斷裂 e、疲勞斷口在宏觀和微觀上有特征： 2、疲勞壽命 （1）概念 疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或

2、應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)叫疲勞壽命。用N表示,（2）計(jì)算表達(dá)式 N=N0+Np 其中，N-總壽命 N0裂紋起始?jí)勖? Np裂紋擴(kuò)展壽命 二、金屬疲勞破壞機(jī)制 金屬的疲勞破壞可分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段。 1、疲勞裂紋的萌生 疲勞裂紋的萌生 都是由局部塑性應(yīng)變集中所引起。常見(jiàn)的裂紋萌生方式有：滑移帶開(kāi)裂、晶界和孿晶界開(kāi)裂、夾雜物或第二相與基體的界面開(kāi)裂。,（1）滑移帶開(kāi)裂（裂紋產(chǎn)生的基本方式） 純金屬和單相金屬的疲勞裂紋萌生方式多為滑移帶開(kāi)裂。 滑移帶開(kāi)裂過(guò)程： 金屬在循環(huán)載荷作用下 在薄弱的晶粒間沿著晶面產(chǎn)生塑性應(yīng)變金屬晶粒產(chǎn)生滑移（不可恢復(fù)）金屬表面產(chǎn)生滑移線隨著循環(huán)次數(shù)的

3、增加而匯集成表面滑移帶發(fā)展成駐留滑移帶形成裂紋 （2）晶界開(kāi)裂： （3）夾雜物或第二相與基體的界面開(kāi)裂 疲勞裂紋一般在金屬表面萌生。,2、疲勞裂紋的擴(kuò)展： 分兩個(gè)階段 （1）第一階段：沿剪應(yīng)力最大的活性面向內(nèi)擴(kuò)展，形成很多微裂紋。 （2）第二階段：裂紋沿拉伸應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展 3、失穩(wěn)斷裂： 三、疲勞破壞斷口分析 （ 一）、宏觀分析： 疲勞源：很小，宏觀看不到。在顯微鏡下可見(jiàn) 疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)：細(xì)晶粒，深色、平滑，海灘狀 失穩(wěn)斷裂區(qū)：粗晶粒，凹凸不平，白色，撕裂或臺(tái)階狀,（二）、微觀分析： 1、疲勞裂紋的形成： a、一般發(fā)生在表面 b、結(jié)構(gòu)受交變載荷的影響 c、塑性變形的積累 d、表面缺陷 2、疲

4、勞裂紋的形貌 第一階段，斷口光滑，具有結(jié)晶性質(zhì)。 第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有如下特征： a、疲勞區(qū)宏觀賞平坦光滑，微觀凹凸不平。 b、具有疲勞條文 c、輪胎壓痕和脊骨壓痕特征 d、在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，還可能出現(xiàn)二次裂紋，往往成掃帚狀。,（三）、構(gòu)件的斷口分析 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 斷口宏觀分析,四、疲勞試驗(yàn)試樣及其制備,（一）、試樣類型 根據(jù)施加載荷的類型，試樣形狀可分為彎曲試樣、軸向加載試樣和扭轉(zhuǎn)試樣。同時(shí)它們又有光滑試樣和缺口試樣之分。如書(shū)中圖2-4----2-10（p19-20）,旋轉(zhuǎn)彎曲光滑圓柱形試樣尺寸,軸向加載光滑試樣尺寸見(jiàn)表2-2（p21） （二）、試樣制備 試樣的制備對(duì)所測(cè)材料的疲勞性能有直接

5、影響，從切取毛坯到進(jìn)行試驗(yàn)要經(jīng)過(guò)取樣、機(jī)械加工、熱處理、尺寸測(cè)量、探傷檢驗(yàn)及貯存等工序。 1、取樣（p2223） 2、機(jī)加工 3、熱處理 4、測(cè)量、探傷與貯存,五、材料的S-N曲線 （一）應(yīng)力循環(huán),,,,,,,,,,,,,,a,m,max,min,T,,m-平均應(yīng)力 a 應(yīng)力幅 max最大應(yīng)力 min最小應(yīng)力 它們之間的關(guān)系: max= m+ a min= m- a,應(yīng)力循環(huán)特征 用應(yīng)力比R表示 R= min/ max R在1 -之間 載荷可變系數(shù):A= a/ m A=(1-R)/(1+R) R=(1-A)/(1+A) 幾種典型的應(yīng)力循環(huán)特征.(p24表) (二)描述材料疲勞性

6、能的SN曲線 概念:表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱為材料的SN曲線.它是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的. 1、試樣種類：試樣由三部分組成：試驗(yàn)段、夾持段、過(guò)渡段。 2、 SN曲線：用一組標(biāo)準(zhǔn)試件在一定平均應(yīng)力（或一定循環(huán)特征應(yīng)變）下，施加不同的應(yīng)力幅，測(cè)出試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)。 3、SN曲線形狀和表達(dá)式,（1）SN曲線的形狀 當(dāng)N較大時(shí)近似為水平直線，它對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為持久應(yīng)力。 （2）SN曲線的簡(jiǎn)化 （3） SN曲線的表達(dá)式 （4）疲勞破壞的三個(gè)階段（如圖）,,,,,,,a,b,,,,,,,,,,LCF,HCF,SF,,-1,LCF段，低循環(huán)疲勞段，宏觀屈服。 HCF段，高循環(huán)疲勞段，線性段，

7、N=1萬(wàn)百萬(wàn)次。 疲勞極限段SF段，N10的7次方。 （三）SN曲線的測(cè)定方法 1、單點(diǎn)法：一個(gè)應(yīng)力水平下只測(cè)一根試樣，然后將縮測(cè)得的點(diǎn)連成一條關(guān)畫(huà)的曲線，稱為SN曲線。 2、成組法：應(yīng)力水平一般取46級(jí)，可在0.6b與1之間選取，每一應(yīng)力水平下用48根試樣進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理。取其對(duì)數(shù)壽命的平均值。曲線的繪制用描點(diǎn)法或直線擬合法。,六、材料的疲勞極限 （一）定義 1、疲勞極限：疲勞壽命無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。 2、條件疲勞極限：在S-N曲線上，與非水平段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力max稱為條件疲勞極限。 3、疲勞極限的表示方法 材料的對(duì)稱彎曲疲勞極限用1表示。 對(duì)稱拉壓疲勞極限用1t表示。 對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極

8、限用1表示。 符號(hào)中的1表示應(yīng)力比R1（ min/ max） 我們常用對(duì)稱彎曲疲勞極限來(lái)表征材料的基本疲勞性能,（二）材料疲勞極限的測(cè)定方法 （三）材料疲勞極限與強(qiáng)度極限及其它機(jī)械性能的關(guān)系 一般疲勞極限與強(qiáng)度極限之間有如下關(guān)系： 1a+b b 我國(guó)對(duì)國(guó)產(chǎn)材料一般是： 圓柱光滑試樣：10.44b 漏斗形試樣： 10.52b 珠光體球墨鑄鐵：10.34b 鐵素體球墨鑄鐵：10.48b 疲勞極限與強(qiáng)度極限的關(guān)系見(jiàn)表25（p34）,七、對(duì)數(shù)疲勞壽命的正態(tài)分布 由于金屬是多晶體，各個(gè)晶體的位向和性質(zhì)及其所受的應(yīng)力各不相同，而疲勞破壞是在應(yīng)力最大的薄弱晶?；蛉毕萏幤鹗迹⒅饾u積累損傷的過(guò)程。 疲勞壽命

9、是一個(gè)隨機(jī)變量，會(huì)受到各種因素的影響，但其分布規(guī)律符合正態(tài)分布。 （一）統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)知識(shí) 1、母體、個(gè)體、子樣、子樣容量 母體：研究對(duì)象的整體 個(gè)體：母體中的一個(gè)單元 子樣：從母體中抽取的一部分個(gè)體 子樣容量：子樣所包含的個(gè)體數(shù)量。,子樣也是一個(gè)隨機(jī)變量，為了根據(jù)子樣觀察的結(jié)果推斷母體的特性，子樣必須： （1）、具有代表性 （2）、具有獨(dú)立性 2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征值 （1）均值：平均數(shù) （2）中值中位數(shù) （3）子樣偏差：di=xix x:平均值 （4）子樣方差： （5）子樣標(biāo)準(zhǔn)差：子樣方差的均方根 （二）、對(duì)數(shù)疲勞壽命的正態(tài)分布 1、對(duì)數(shù)疲勞壽命 2、成活率為P時(shí)的疲勞壽命計(jì)算公式： ,八、材料的P-S-N曲線 將各級(jí)應(yīng)力水平下疲勞壽命分布曲線上存活率相等的點(diǎn)用曲線連接起來(lái)，就得到存活率的一組S-N曲線，稱為P-S-N曲線。,,,,,,,,,中值,壽命為99%,P-S-N曲線的測(cè)定方法,以書(shū)中40頁(yè)為例：講述數(shù)據(jù)的處理方法和公式的應(yīng)用。 1、列表,2、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)：,均值的計(jì)算： 標(biāo)準(zhǔn)差（均方根差）： 變異系數(shù)：vxi=sxi/xi xi :均值 計(jì)算具有指定成活率P的對(duì)數(shù)疲勞壽命：p42,