材料力学 第十四章 疲劳强度

第十四章 疲劳强度 §14–1 概述 §14–2 交变应力的几个名词术语 §14–3 材料持久限及其测定 §14–4 构件持久限及其计算 §14–1 概述 §14–2 交变应力的几个名词术语 §14–3 材料持久限及其测定 §14–4 构件持久限及其计算 §14–5 对称循环下构件的疲劳强度计算 §14–6 非常温静载下材料力学性能简介

疲劳强度 §14–１ 概 述 一、交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力称为交变应力。 P P 折铁丝

疲劳强度 二、疲劳破坏的发展过程: 材料在交变应力下的破坏，习惯上称为疲劳破坏。 1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。 2.产生微观裂纹。 3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。 4.宏观主导裂纹稳定扩展。 5.结构失稳或完全断裂。

疲劳强度 三、疲劳破坏的特点: 2.断裂发生要经过一定的循环次数 3.破坏均呈脆断 4.“断口”分区明显。 （光滑区和粗糙区）

疲劳强度 §14–2 交变应力的几个名词术语 一、循环特征： s smax T sm 二、平均应力： sa smin t 三、应力幅：

疲劳强度 四、几种特殊的交变应力： 1.对称循环： s smax T sm t sa smin

疲劳强度 s 2.脉动循环： smax sm sa t smin s sm 3.静循环： smax smin t 五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。

疲劳强度 例1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。 解：

疲劳强度 §14–3 材料持久限及其测定 一、材料持久限(疲劳极限)： 循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，用r 表示。 二、  —N 曲线（应力—寿命曲线）： N(次数) s A—名义持久限。 sA NA N0—循环基数。 r—材料持久限。 sr N0

疲劳强度 §14–4 构件持久限及其计算 一、构件持久限—r 0 r0 与 r 的关系： 1. K —有效应力集中系数： 2.  —尺寸系数：

疲劳强度 3.  —表面质量系数： 如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。 对称循环下 ，r= -1 。上述各系数均可查表而得。

疲劳强度 例2 阶梯轴如图，材料为铬镍合金钢，b=920MPa，–1= 420MPa ，–1= 250MPa ，分别求出弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数。 解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数 f50 f40 r=5 由图表查有效应力集中系数 由表查尺寸系数

疲劳强度 2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数 由图表查有效应力集中系数 应用直线插值法 由表查尺寸系数

疲劳强度 §14–5 对称循环下构件的疲劳强度计算 一、对称循环的疲劳容许应力: 二、对称循环的疲劳强度条件:

疲劳强度 例3 旋转碳钢轴上，作用一不变的力偶 M=0.8kN·m，轴表面经过精车， b=600MPa，–1= 250MPa，规定 n=1.9，试校核轴的强度。 解：① 确定危险点应力及循环 特征 f70 f50 r=7.5 M M 为对称循环

疲劳强度 ② 查图表求各影响系数，计算构件持久限。 求K： 查图得 求 ：查图得 求 ：表面精车，  =0.94 ③ 强度校核 求 ：表面精车，  =0.94 ③ 强度校核 安全

疲劳强度 §14–6 非常温静载下材料力学性能简介 一、应力速率对材料力学性能的影响 s e O 低碳钢 · 应力速率与屈服极限的关系 0 20 40 60 80 100 320300280260240220200 ss (MPa) s (MPa/s) · 2 动荷载 低碳钢 O s e 1 静荷载

疲劳强度 二、温度对材料力学性能的影响 总趋势: 温度升高,E、S 、b下降； 、 增大。 温度下降,b增大； 、 减小。 0 100 200 300 400 500 216177137700600500400300200100 10090 80 70 60 50 40 30 20 10 E d 总趋势: 温度升高,E、S 、b下降； 、 增大。 温度下降,b增大； 、 减小。 温度对低碳钢力学性能的影响

疲劳强度 d 80 70 60 50 40 30 20 10 20001750150012501000 750 500 250 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 温度对铬锰合金力学性能的影响

疲劳强度 P(kN) P(kN) 中碳钢 纯铁 - - Dl(mm) Dl(mm) - 温度降低，塑性降低，强度极限提高 302010 0 5 10 15 302010 Dl(mm) - 0 5 10 15 302010 P(kN) Dl(mm) - 中碳钢 纯铁 温度降低，塑性降低，强度极限提高

温度降低，b增大，为什么结构会发生低温脆断？ 疲劳强度 温度降低，b增大，为什么结构会发生低温脆断？

疲劳强度 构件的工作段不能超过稳定阶段！ 破坏阶段 E e 加速阶段 D 稳定阶段 不稳定阶段 C B A e0 t O 材料的蠕变曲线

疲劳强度 应力不变 温度越高蠕变越快 T1 T2 T3 T4 s1 s2 s3 s4 温度不变 应力越高蠕变越快

疲劳强度 三、应力松弛： 在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹性变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内的应力变小。这种现象称为应力松弛。

疲劳强度 温度不变 e2 e1 e3 初应力越大，松弛的初速率越大 初始弹性应变不变 T1 T3 T2 温度越高，松弛的初速率越大

温度降低，b增大，结构反而还发生低温脆断，原因何在？ 疲劳强度 四、冲击荷载下材料力学性能 ·冲击韧度·转变温度 温度降低，b增大，结构反而还发生低温脆断，原因何在？ 温度降低，b增大，但材料的冲击韧性下降，且抗断裂能力基本不变，所以，结构易发生低温脆断。

疲劳强度 1.冲击试验试件 40 10 55 10 试件 V型切口试样 2 R 0.5 40 10 55 10 U型切口试样 R1 2

疲劳强度 2.冲击试验 试件

疲劳强度 ① “U”型口试件的冲击韧性： ②“V”型口试件的冲击韧性： ③ 冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆。

疲劳强度

本章结束