疲劳断裂特征

,机械设计,机械零件的疲劳强度,College of Mechanical Engineering,1,3.1疲劳断裂特征,3.2疲劳曲线和疲劳极限应力图,3.3 影响疲劳强度的主要因素,3.4许用疲劳极限应力图,3.5稳定变应力时安全系数的计算,3.6规律性非稳定变应力时的机械零件疲劳强度,2,两种疲劳强度计算准则,1、安全-寿命设计,-在规定的工作时间内不允许出现疲劳裂纹,2、破损-安全设计,-允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但需保证在,规定的时间内仍能安全可靠地工作,3,一、应力的种类,t,=常数,静应力:,=常数,变应力:,随时间变化,平均应力:,应力幅:,变应力的循环特性:,脉动循环变应力,对称循环变应力,-1,= 0,+1,静应力,静应力是变应力的特例,3.1疲劳断裂特征,4,脉动循环变应力,r,=0,循环变应力,对称循环变应力,r,=,-1,max,m,T,max,min,a,a,m,t,max,min,a,a,t,t,a,a,min,r,=+1,循环应力下，零件的主要失效形式是,疲劳断裂。,二、疲劳断裂过程：,裂纹萌生、裂纹扩展、断裂,5,断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是,塑性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。,疲劳断裂过程：,断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。,光滑的疲劳发展区,粗糙的脆性断裂区,裂纹萌生、裂纹扩展、断裂,三、疲劳断裂的特点：,max,B,甚至,max,S,疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果,6,3.2.1疲劳曲线,1.疲劳极限,-在某一循环特性,r,下，经过N次循环作用而不发生,疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限 (,rN,或,rN,),2.疲劳曲线,-循环次数N与疲劳极限,rN,或,rN,之间的关系曲线,3.2疲劳曲线和疲劳极限应力图,7,3、,rN,N疲劳曲线,用参数,rN,表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：,rN,N疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为,N,=1/4，,即在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限,B,。,AB,段，应力循环次数10,3 ，,rN,变化很小，可以近似看作为静应力强度,（静应力区）,。,N,r,N,0,10,7,C,B,A,N,=1/4,10,4,B,10,3,D,rN,N,低周疲劳N10,4,静应力区N10,4,BC,段，,N,=,10,3,10,4,，随着,N, ,rN,，材料破坏伴有塑性变形，,称这一阶段的疲劳现象为,应变疲劳。,因,N,较小，特称为,低周疲劳。,8,rN,N,r,N,0,10,7,C,D,rN,N,B,A,N=1/4,D,点以后的疲劳曲线呈一水平线，,代表着无限寿命区其方程为,实践证明，机械零件的疲劳大多发生在,CD,段。,CD段曲线可用下式描述,10,4,C,B,10,3,有限寿命疲劳阶段,无限寿命疲劳阶段,m,与材料有关的常数,C,常数,9,由于,N,D,很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数,N,0,(称为循环基数)，用,N,0,及其相对应的疲劳极限,r,来近似代表,N,D,和,r,。,于是有,式中,N,0,（循环基数）、,r,（,N,0,所对应的疲劳极限 ）,及,m,（材料常数）,的值由材料试验确定。,rN,N,r,N,0,10,7,C,B,A,N,=1/4,10,4,B,10,3,D,rN,N,低周疲劳N10,4,为寿命系数。,静应力区N10,4,10,试验结果表明在,CD,区间内，试件经过相应次数的变应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而,D,点以后，如果作用的变应力最大应力小于,D,点的应力（,max,r,），则无论循环多少次，材料都不会破坏。,CD,区间,有限疲劳寿命阶段,D,点之后,无限疲劳寿命阶段,高周疲劳,11,有关疲劳曲线说明,1、循环基数N,0,与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。,对于钢，若硬度,350HB，取N,0,=10,6,10,7,；350HB，取N,0,=1010,7,25 10,7,一般在计算K,N,时取N,0,=10,7,有色金属N,0,=25 10,7,2、指数m(随材料和应力状态而定的指数）,3、不同循环特性的疲劳曲线,具有相似的形状，r愈大,rN,也愈大,12,材料的疲劳极限曲线也可用于特定的应力循环次数N下，极限应力幅与平均应力之间的关系曲线来表示，特称为等寿命曲线，也称为极限应力线图。,（二次曲线）,3.2.2 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）,13,单直线简化,实际应用时常有两种简化方法。,简化等寿命曲线（,双直线极限应力线图,）：,对称循环,m,=0 ,max,=,a,=,-1,脉动循环,m,=,a,=,0,/2,双直线简化,14,已知,A(0，,-1,),B,(,0,/2,，,0,/2,),两点坐标，求得,AB,直线的方程为:,A,E,直线上任意点代表,一定循环特性时的疲劳极限。,ES,直线上任意点的最大应力均达到了屈服极限。,ES,直线上任意点,C,的坐标为,（,m,，,a,）,由三角形中两条直角边相等可求得,ES,直线的方程为,15,当循环应力参数（,m,，,a,）落在OA,BES,以内时，表示不会发生疲劳破坏。,而正好落在,ABE,折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。,当应力点落在,ABES,以外时，一定会发生疲劳破坏。,公式,中的参数,为试件受循环弯曲应,力时的材料常数，其值由试验及下式决定,对于碳钢,，,0.1,0.2,，对于合金钢，,0.2,0.3。,16,1、应力集中的影响,3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素,1,),应力集中产生的主要原因：零件截面形状发生的突然变化,2,),名义应力,和实际最大应力,max,17,理论应力集中系数：,有效应力集中系数：,材料的敏感系数,q,1,轴上环槽、轴肩圆角、轴上径向孔,理论应力集中系数,钢材的敏性系数,3,),理论应力集中系数与有效应力集中系数,理论应力集中系数,敏感系数,18,2、尺寸的影响-尺寸系数,1、零件尺寸越大，疲劳强度越低,2、尺寸及截面形状系数,19,4、综合影响系数,3、表面状态的影响,20,3.4 许用疲劳极限应力图,3.4.1稳定变应力和非稳定变应力,1.稳定变应力-循环中平均应力、应力幅和周期都不随时间,变化的变应力,2.非稳定变应力-上述参数之一若随时间变化则称作非稳定,变应力,-规律性非稳定变应力,-随机性非稳定变应力,21,由于材料试件是一种特殊的结构，而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等与试件有区别，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,零件的对称循环弯曲疲劳极限,-1e,设材料的对称循环弯曲疲劳极限为,-1,且总有,-1e,-1,3.4.2许用疲劳极限应力图,22,1.所谓许用疲劳极限应力图是在考虑了综合影响系数和寿命系数之后得出,的疲劳极限应力图,2.综合影响系数只对极限应力幅有影响,而寿命系数对应力幅和平均应力均,有影响,3.工作应力点(,m,a,)必须落在安全区内,但许用极限应力的大小则取决于工,作应力增长的规律,23,3.4.3工作应力增长的规律,1.r=const(绝大多数转轴的应力状态M1）,2.,m,=const（振动弹簧应力状态M3）,3. ,min,=const(紧螺栓连接受轴向变载荷M2）,24,3.5 稳定变应力时安全系数的计算,疲劳强度的计算采用的是安全系数计算,即判断危险截面处的,安全程度,准则为: S,S,该算法具有验算性质,因为计算是在零件的材料,结构和尺寸均,已确定的条件下进行的,25,3.5.1单向应力状态时的安全系数,1.r=常数的几何含义,2.图解法求安全系数,26,当工作应力处于塑性安全区时,首先发生塑性破坏,27,3.解析法求安全系数,工作点位于疲劳安全区时,28,由几何关系化简,29,按应力幅求安全系数,该公式也适用于低塑性材料和脆性材料当工作点处于塑性安全区时,30,复合应力状态时的安全系数,对称循环下，对塑性材料，按第三、第四强度理论计算,为防止在复合应力作用下发生塑性变形,低塑性和脆性材料,31,规律性不稳定变应力,3.6 规律性非稳定变应力时的机械零件疲劳强度,不稳定变应力,规律性,非规律性,用,统计方法,进行疲劳强度计算,按,疲劳损伤累积假说,进行疲劳强度计算,如汽车钢板弹簧的载荷与应力受载重量、行车速度、轮胎充气程度、路,面状况、驾驶员水平等因素有关。,1,n,1,2,n,2,3,n,3,4,n,4,max,n,O,max,N,O,1,n,1,N,1,2,n,2,N,2,3,n,3,N,3,-1,-1,N,D,如专用机床主轴,32,1.疲劳损伤积累假说（Miner理论）,-在每一次应力作用下零件的寿命都受到微量的疲劳损伤,当疲劳损伤积累到一定的时候将产生疲劳断裂。,33,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的用，则应力,1,每循环一次对材料的损伤率即为1/,N,1,，而循环了,n,1,次的,1,对材料的损伤率即为,n,1,/,N,1,。如此类推，循环了,n,2,次的,2,对材料的损伤率即为,n,2,/,N,2,，,而低于,-1,的应力可以认为不构成破坏作用。,当损伤率达到,100%,时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有,实验表明,(1)当应力作用顺序是先大,后小时，等号右边值1；,一般情况有,极限情况, P30 有误,若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有,35,-取等效应力-求等效循环次数-求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限-按等效应力计算疲劳强度和安全系数-按最大非稳定变应力计算塑性材料屈 服强度安全系数,2.等效稳定变应力和寿命系数,3.规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤,36,