交變載荷下材料的疲勞破壞

1、交變載荷下材料的疲勞破壞,在工程中，有許多構(gòu)件在工作時出現(xiàn)隨時間作交替變化的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。,構(gòu)件產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因,有的是由于載荷的大小、方向或位置隨時間作交替的變化；有的雖然載荷不隨時間而改變，但構(gòu)件本身在旋轉(zhuǎn)。,火車輪軸就屬于后一種情況，下面以車軸為例來分析應(yīng)力隨時間作交替變化的過程。,§10-1 交變應(yīng)力的概念,,車軸每旋轉(zhuǎn)一周，A點的應(yīng)力就重復變化一次，稱為一個應(yīng)力循環(huán)，隨著車軸的不停地旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力作周期

2、性的變化。,單向傳動的嚙合齒輪根部的彎曲正應(yīng)力循環(huán)特性,疲勞破壞——在交變應(yīng)力作用下構(gòu)件發(fā)生的破壞,據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞。,疲勞破壞發(fā)生的斷面稱為疲勞斷口，是分析疲勞類型，判斷疲勞事故原因的特征區(qū)域。,疲勞——材料對交變應(yīng)力抵抗力下降的現(xiàn)象。,疲勞破壞特點,交變應(yīng)力引起的疲勞失效與靜應(yīng)力引起的強度失效有本質(zhì)的區(qū)別： 1.疲勞破壞是構(gòu)件在工作應(yīng)力低于強度極限，甚至低于屈服極限的情況下突然發(fā)生的斷裂，

3、往往具有突發(fā)性。,2.塑性材料構(gòu)件也呈脆性斷裂，即使塑性性能很好的材料在斷裂前也無明顯的塑性變形。,3. 構(gòu)件的疲勞破壞斷口上有兩個明顯區(qū)域：光滑區(qū)與粗糙區(qū)，其中粗糙區(qū)又稱為瞬斷區(qū)，斷口呈顆粒狀。,疲勞破壞有裂紋的發(fā)生、擴展和斷裂三個部分。,裂紋產(chǎn)生的位置稱為疲勞源或裂紋源。,裂紋擴展但未斷裂的區(qū)域稱為擴展區(qū)，通常對應(yīng)光滑區(qū)。,裂紋斷裂的區(qū)域稱為斷裂區(qū)，通常對應(yīng)粗糙區(qū)。,疲勞破壞的過程：,一般認為是：當交變應(yīng)力大小超過一定限度，在構(gòu)件中

4、應(yīng)力為最大處或材料有缺陷處，材料經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細微裂紋源。,這種裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而逐步擴展。在此擴展過程中，隨著應(yīng)力交替地變化，裂紋兩邊的材料時分時合，并互相研磨，因而形成斷面的光滑區(qū)域。 通常光滑區(qū)域上還有疏密不等的貝殼狀條紋。稱為疲勞裂紋前沿線。,隨著裂紋的不斷擴展，構(gòu)件截面的有效面積不斷減小，最后當削弱到不能抵抗破壞時，就突然斷裂，斷面上的粗糙顆粒就是由于最后的突然斷裂而形成的。,疲勞破壞原因：

5、交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的主要原因。,疲勞破壞過程疲勞裂紋形成（萌生、成核）階段裂紋擴展階段微觀裂紋擴展階段宏觀裂紋擴展階段脆性斷裂階段,§10-2 交變應(yīng)力的要素,循環(huán)特征（應(yīng)力比或循環(huán)特性）,,應(yīng)力循環(huán)周期T——一個周期變化所需要的時間,最大應(yīng)力σmax 、最小應(yīng)力σmin,平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅 σa,,交變應(yīng)力分類對稱循環(huán)交變應(yīng)力r=-1非對稱循環(huán)交變應(yīng)力r≠-1脈動循環(huán)交變應(yīng)力r=0

6、靜應(yīng)力（靜載荷）r=1,σmax(任何交變應(yīng)力）=σm（靜應(yīng)力）+σa（對稱循環(huán)應(yīng)力）,§10-3 材料的疲勞極限,在交變載荷作用下工作的構(gòu)件存在一個能繼續(xù)工作多長時間的問題，稱為疲勞壽命。,疲勞極限或持久極限——試件可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，交變應(yīng)力最大值,研究疲勞壽命的主要方法有：應(yīng)力-壽命法。S-N法。應(yīng)變-壽命法。?-N法。斷裂力學法。,S-N法是主要方法，要求零件有無限壽命或很長壽命。適用于低應(yīng)

7、力幅。,疲勞極限測定方法： 疲勞壽命N 對稱循環(huán)條件下，疲勞極限值記為σ-1,應(yīng)力—疲勞壽命曲線含義：,σmax >σ-1,試件經(jīng)歷有限次循環(huán)就破壞σmax <σ-1,試件經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞σmax =σ-1,r=-1時材料的疲勞極限,一般地，N0=107,“條件”疲勞極限——對于有色金屬曲線無明顯趨近于水平直線，這時可以規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0=107,實踐證明：疲勞極限σ-1與材料的抗拉強度有一定

8、關(guān)系。如：對于鋼， σ-1約為0.5 σb 。對于灰鑄鐵， σ-1約為0.42 σb 。對于球墨鑄鐵， σ-1約為0.48 σb 。對于鋁合金， σ-1約為0.3~ 0.35 σb 。,測定疲勞破壞應(yīng)力的試驗稱為耐久性試驗,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機,耐久性試驗包括：拉壓。彎曲扭轉(zhuǎn),實踐證明：彎曲疲勞極限（σ-1）b、扭轉(zhuǎn)疲勞極限?-1以及拉壓疲勞極限σ-1之間有如下近似線性關(guān)系。對于鋼， （σ-1）b=0.85σ-1。 ?-1

9、 =0.55σ-1。對鑄鐵， （σ-1）b=0.65σ-1。 ?-1 =0.90σ-1。,同一種基本變形形式下的持久極限以對稱循環(huán)是的持久極限為最低。,疲勞圖線,所以，以對稱循環(huán)交變應(yīng)力下的持久極限作為材料在交變應(yīng)力下的主要強度指標。,§10-4 構(gòu)件的疲勞極限,影響構(gòu)件疲勞極限的因素應(yīng)力集中構(gòu)件尺寸構(gòu)件表面加工質(zhì)量,在實驗測定材料疲勞極限的基礎(chǔ)上，將構(gòu)件的形狀、尺寸及表面加工質(zhì)量等因素的影響分別獨立地以系數(shù)的形式修

10、正材料的疲勞極限，得到構(gòu)件的疲勞極限。,1、構(gòu)件外形的影響,由于結(jié)構(gòu)與工藝的要求，工程構(gòu)件的形狀與光滑試件有很大的差異，如傳動軸上會有鍵槽、軸肩、橫孔等。構(gòu)件此種外形的變化，將會引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域較易形成疲勞裂紋，使構(gòu)件的疲勞極限顯著低于材料的疲勞極限 。,,,有效應(yīng)力集中系數(shù),拉壓時,扭轉(zhuǎn)時,彎曲時,2、構(gòu)件尺寸的影響,試驗表明，尺寸增大將導致疲勞極限降低,,3、構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響,,不同的表面加工質(zhì)量也會對構(gòu)件的

11、疲勞極限產(chǎn)生影響。一般說來，構(gòu)件表面質(zhì)量較好時，其疲勞極限較高；反之，疲勞極限較低。,除上述三種影響因素之外，還有一些因素對構(gòu)件的疲勞極限也有影響，如腐蝕、高溫等。這些因素的影響，也可引用一些修正系數(shù)予以考慮，其數(shù)值可以由設(shè)計手冊中查到,構(gòu)件的疲勞極限,對于對稱循環(huán)，若材料的疲勞極限為,則構(gòu)件的疲勞極限,,,上式中Kσ（ Kτ ）是綜合影響系數(shù)。在綜合影響系數(shù)中考慮的因素有構(gòu)件形狀，尺寸及表面質(zhì)量等,,,§10-5 對稱循

12、環(huán)疲勞強度設(shè)計,,疲勞強度條件也可以用安全系數(shù)表示,,構(gòu)件疲勞強度計算的三類問題疲勞強度校核，截面設(shè)計許用載荷計算,§10-6 、 提高構(gòu)件疲勞強度的措施,為了降低構(gòu)件的應(yīng)力集中，構(gòu)件的形狀設(shè)計中要盡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過渡處（如階梯軸的軸肩處），要采用半徑盡可能大的過渡圓角。如果由于結(jié)構(gòu)上的原因，無法加大過渡圓角半徑時，須在直徑較大的軸段上加開減荷槽或退刀槽。在緊配合的輪轂與軸的配合邊緣處，通常會

13、產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時也應(yīng)在輪轂上開減荷槽，并將配合軸徑適當加粗。,一、降低應(yīng)力集中,,利用間隔環(huán)加大過渡圓弧,卸荷槽，退刀槽,力流線,1.降低構(gòu)件表面的粗糙度。疲勞強度要求較高的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)法降低其表面的粗糙度，使具有較高的光潔度，對高強度鋼尤其如此，此外在裝配及使用過程中，也應(yīng)嚴防對構(gòu)件表面的機械損傷或化學損傷。 2.提高表面層的強度。前已述及，對于工作應(yīng)力較大的表面，宜采用某些工藝措施，設(shè)法提高表面強度、提高表面質(zhì)量