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(shí)出現(xiàn)隨時(shí)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(shí)間作交替的變化；有的雖然載荷不隨時(shí)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(lái)分析應(yīng)力隨時(shí)間作交替變化的過(guò)程。,§10-1 交變應(yīng)力的概念,,車軸每旋轉(zhuǎn)一周，A點(diǎn)的應(yīng)力就重復(fù)變化一次，稱為一個(gè)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(dòng)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(jì)，在機(jī)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(duì)交變應(yīng)力抵抗力下降的現(xiàn)象。,疲勞破壞特點(diǎn),交變應(yīng)力引起的疲勞失效與靜應(yīng)力引起的強(qiáng)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(qiáng)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(wú)明顯的塑性變形。,3. 構(gòu)件的疲勞破壞斷口上有兩個(gè)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(kuò)展和斷裂三個(gè)部分。,裂紋產(chǎn)生的位置稱為疲勞源或裂紋源。,裂紋擴(kuò)展但未斷裂的區(qū)域稱為擴(kuò)展區(qū)，通常對(duì)應(yīng)光滑區(qū)。,裂紋斷裂的區(qū)域稱為斷裂區(qū)，通常對(duì)應(yīng)粗糙區(qū)。,疲勞破壞的過(guò)程：,一般認(rèn)為是：當(dāng)交變應(yīng)力大小超過(guò)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(guò)應(yīng)力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細(xì)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(kuò)展。在此擴(kuò)展過(guò)程中，隨著應(yīng)力交替地變化，裂紋兩邊的材料時(shí)分時(shí)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(kuò)展，構(gòu)件截面的有效面積不斷減小，最后當(dāng)削弱到不能抵抗破壞時(shí)，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(guò)程疲勞裂紋形成（萌生、成核）階段裂紋擴(kuò)展階段微觀裂紋擴(kuò)展階段宏觀裂紋擴(kuò)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(gè)周期變化所需要的時(shí)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(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力r=-1非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力r≠-1脈動(dòng)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(duì)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(gè)能繼續(xù)工作多長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題，稱為疲勞壽命。,疲勞極限或持久極限——試件可經(jīng)無(wú)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(xué)法。,S-N法是主要方法，要求零件有無(wú)限壽命或很長(zhǎng)壽命。適用于低應(yīng)

7、力幅。,疲勞極限測(cè)定方法： 疲勞壽命N 對(duì)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(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生破壞σmax =σ-1,r=-1時(shí)材料的疲勞極限,一般地，N0=107,“條件”疲勞極限——對(duì)于有色金屬曲線無(wú)明顯趨近于水平直線，這時(shí)可以規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0=107,實(shí)踐證明：疲勞極限σ-1與材料的抗拉強(qiáng)度有一定

8、關(guān)系。如：對(duì)于鋼， σ-1約為0.5 σb 。對(duì)于灰鑄鐵， σ-1約為0.42 σb 。對(duì)于球墨鑄鐵， σ-1約為0.48 σb 。對(duì)于鋁合金， σ-1約為0.3~ 0.35 σb 。,測(cè)定疲勞破壞應(yīng)力的試驗(yàn)稱為耐久性試驗(yàn),旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),耐久性試驗(yàn)包括：拉壓。彎曲扭轉(zhuǎn),實(shí)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(duì)于鋼， （σ-1）b=0.85σ-1。 ?-1

9、 =0.55σ-1。對(duì)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(duì)稱循環(huán)是的持久極限為最低。,疲勞圖線,所以，以對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)。,§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(shí)驗(yàn)測(cè)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(dú)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(dòng)軸上會(huì)有鍵槽、軸肩、橫孔等。構(gòu)件此種外形的變化，將會(huì)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(shí),扭轉(zhuǎn)時(shí),彎曲時(shí),2、構(gòu)件尺寸的影響,試驗(yàn)表明，尺寸增大將導(dǎo)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(huì)對(duì)構(gòu)件的

11、疲勞極限產(chǎn)生影響。一般說(shuō)來(lái)，構(gòu)件表面質(zhì)量較好時(shí)，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(duì)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(jì)手冊(cè)中查到,構(gòu)件的疲勞極限,對(duì)于對(duì)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(duì)稱循

12、環(huán)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),,疲勞強(qiáng)度條件也可以用安全系數(shù)表示,,構(gòu)件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的三類問(wèn)題疲勞強(qiáng)度校核，截面設(shè)計(jì)許用載荷計(jì)算,§10-6 、 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)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(jì)中要盡量避免出現(xiàn)帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸的過(guò)渡處（如階梯軸的軸肩處），要采用半徑盡可能大的過(guò)渡圓角。如果由于結(jié)構(gòu)上的原因，無(wú)法加大過(guò)渡圓角半徑時(shí)，須在直徑較大的軸段上加開(kāi)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(huì)

13、產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時(shí)也應(yīng)在輪轂上開(kāi)減荷槽，并將配合軸徑適當(dāng)加粗。,一、降低應(yīng)力集中,,利用間隔環(huán)加大過(guò)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(qiáng)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(duì)高強(qiáng)度鋼尤其如此，此外在裝配及使用過(guò)程中，也應(yīng)嚴(yán)防對(duì)構(gòu)件表面的機(jī)械損傷或化學(xué)損傷。 2.提高表面層的強(qiáng)度。前已述及，對(duì)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(qiáng)度、提高表面質(zhì)量