材料力学（刘鸿文教材）a15材料的疲劳与断裂.ppt

材料力学,§15.1 概述*,§15.2 固体材料的理论断裂强度和应力判据*,第十五章 材料的疲劳与断裂,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,§15.5 构件的疲劳极限,§15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,,,目录,轮轴表面A点的正应力,式中,称为应力幅,交变应力——随时间作周期性变化的应力,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,疲劳失效——在交变应力作用下发生的突然断裂现象,交变应力引起的破坏与静应力引起的破坏截然不同,疲 劳,实践表明：,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录, 40人死亡；  14人受伤；  直接经济损失631万元1999年1月4日，我国重庆市綦（qi）江县 彩虹桥发生垮塌，造成：,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,,,,,,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,力学问题:,大部队过桥时不能齐步走？ 人跑步时脚上的力量有多大？ 冲击载荷 与跑步的次数的关系？ 损伤累积与结构寿命,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,人跑步时脚上的力量有多大？,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,疲劳失效的特点：,2.即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性,变形，呈脆性断裂破坏；,1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然,断裂；,3.断口明显地分为光滑区和粗糙区。

§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,疲劳失效过程：,产生微观裂纹（称为疲劳源或裂纹源）；,2.在微裂纹的尖端产生应力,1.在足够大的交变应力作用下，构件内的最大应力作,用处或缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，,3.随着交变应力继续作用，,集中，在交变应力的作用,下，微裂纹扩展，形成宏,观裂纹；,宏观裂纹扩展，最终构件,断裂§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,,,疲劳失效实质：,疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在名义应力低于抗拉强度（甚至低于屈服应力）的情况下，会突然发生断裂由于材料中裂纹的形成和扩展的结果,已有资料表明：承受交变应力构件的失效（如飞机、火车和机器）绝大部分是疲劳失效§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,50年代起形成了固体力学的两个分支：,2.断裂力学——研究材料中的宏观裂纹的扩展规律,1.损伤力学——研究材料中的微观缺陷的产生和发展,的规律,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,强迫振动的梁,其任一点的应力随时间周期变化,j——梁在静平衡位置的应力,max——梁在最大位移时的应力,min ——梁在最小位移时的应力,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,强迫振动的梁,其任一点的应力随时间周期变化,一个应力循环——重复变化一次的过程,循环次数——应力重复变化的次数,周期——完成一个应力循环所需要的时间,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,交变应力的循环特征（应力比）：,应力循环中的平均应力,应力循环中的应力幅,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,应力循环种类：,2.非对称循环,即：,1.对称循环,非对称循环 = 平均应力 + 对称循环,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,应力循环种类：,或,4.静应力——交变应力的特例,3.脉冲循环,脉冲循环和静应力为非对称循环,§15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,,,目录,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,第15章 材料的疲劳与断裂,,,目录,在交变应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力时就可能发生疲劳失效，因此，屈服应力或抗拉强度不能作为疲劳强度指标。

材料的疲劳强度指标必须由疲劳强度试验测定,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,试验表明：在某一的循环特性下，若最大应力不超过某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而不发生疲劳通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r 时的疲劳极限（持久极限），用表示r疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标,疲劳极限与循环特性有关,对称循环时的疲劳极限最小,对称循环是交变应力中的最危险情况,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,疲劳极限的测定：,2.第一根试样承受max0.7b ； 通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,测定步骤：,1.准备6~10个d =7~10 mm光滑小试样；,3.逐步减小max，直到循环次数很大时，得到,-1=max§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,疲劳极限的测定：,通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,以最大应力为纵坐标，循环次数(寿命)为横坐标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为应力—寿命曲线或S—N曲线§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,常温试验结果表明：,若钢材经过107 次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。

钢材的疲劳极限——经107次循环仍未发生疲劳的最大,循环基数——N0=107循环次数,应力,§15.4 S—N曲线及疲劳极限的测定,,,目录,§15.5 构件的疲劳极限,第15章 材料的疲劳与断裂,,,目录,1．构件外形的影响,对称循环下，有效应力集中系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 ——无应力集中的光滑试样的疲劳极限,或 ——有应力集中且尺寸与光滑试样相同的,试样的疲劳极限,§15.5 构件的疲劳极限,,,目录,2．构件尺寸的影响,对称循环下，尺寸系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 ——光滑大试样的疲劳极限,或 ——光滑小试样的疲劳极限,§15.5 构件的疲劳极限,,,目录,3．构件表面质量的影响,对称循环下，表面质量系数定义为,式中,——表面磨光试样的疲劳极限,——光滑 小 试样的疲劳极限,§15.5 构件的疲劳极限,,,目录,考虑上述各因素的影响，在对称循环下，构件的持久极限为,拉压、弯曲：,扭转：,§15.5 构件的疲劳极限,,,目录,§15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,第15章 材料的疲劳与断裂,,,目录,对称循环下，构件的疲劳强度条件为,式中,——许用应力,——构件的疲劳极限,n ——安全因数,§15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,,,目录,。