疲劳强度模型和S-N曲线课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精品,*,第二章 疲劳强度模型,S-N,曲线,1,、,S-N,曲线,材料的疲劳性能用作用的,应力范围,S,与到破坏时的,寿命,N,之间的关系描述，即,S-N,曲线。,寿命,N,定义为在给定应力比,R,下，恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。,问题：如何得到,S-N,曲线？,实验得到！,精品,第二章 疲劳强度模型S-N曲线 1、S-N曲线精品,1,疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里破坏指的是裂纹萌生寿命。因此，破坏可以定义为：,1,）标准小尺寸试件断裂。对于高、中强度钢等脆性材料，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短，对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹萌生时尺度小，观察困难，故这样定义是合理的。,2,）出现可见小裂纹，或有,5,15,应变降。对于延性较好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶段，不应当计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察困难时，可以监测恒幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹后，刚度改变，应变也随之变化，故可用应变变化量来确定是否萌生了裂纹。,精品,疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里,2,材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为,7,10,件），在给定的应力比,R,下，施加不同的应力范围,S,，进行疲劳试验，记录相应的寿命,N,，即可得到图示,S-N,曲线。,N,S,精品,材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为710,3,由图可知，在给定的应力比下，应力范围,S,越小，寿命越长。当应力范围,S,小于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。,由,S-N,曲线确定的，对应于寿命,N,的应力范围，称为寿命为,N,循环的疲劳强度。,寿命,N,趋于无穷大时所对应的应力范围,S,，称为材料的疲劳极限,。,由于疲劳极限是由试验确定的，试验又不可能一直做下去，故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷大一般被定义为：,钢材，,10,7,次循环，焊接件：,2*10,6,。,精品,由图可知，在给定的应力比下，应力范围S越小，寿命,4,2,、,S-N,曲线的数学表达式,NS,m,=A,两边取对数，,LogN+mLogS=LogA,选取几个不同的应力范围平 ，,，进行,n,组疲劳试验，对各组实验数据,应力范围,循环次数,两个参数：,m,，,A,精品,2、S-N曲线的数学表达式应力范围循环次数两个参,5,假定 为某一概率分布 （一般为,Weibull,分布）,存活率,则可求得存活率为,p,的，分别对应于 ，,的,试验次数多 少,，,精品,假定 为某一概率分,6,假定应力范围水平下疲劳寿命,N,的分布为对数正态分布时，采用极大似然法拟合得到,P-S-N,曲线为,其中,m,定值，表示存活率为,p,时的,正态分布 标准差,个,精品,假定应力范围水平下疲劳寿命N的分布为对数正态分布,7,对于船海工程，一般构件,主要构件,精品,对于船海工程，一般构件 主要构件 精品,8,在实际设计或计算中，为了得到适合的,S-N,曲线，需要做实验吗？,可以查阅相关规范或资料，得到,S-N,曲线,精品,在实际设计或计算中，为了得到适合的S-N曲线，需要做实验吗？,9,F2,F2,F,F2,精品,F2F2FF2精品,10,精品,精品,11,精品,精品,12,总结：,S-N,曲线表征结构的抗疲劳能力，由实验得到。,实验中根据结构形式和载荷类型选取,S-N,曲线，此时,S-N,曲线都是对应于一定的概率水平的！,精品,总结：精品,13,3,、平均应力的影响,材料的疲劳性能，用作用应力,S,与到破坏时的寿命,N,之间的关系描述。在疲劳载荷作用下，最简单的载荷谱是恒幅循环应力。,R=-1,时，对称恒幅循环载荷控制下，试验给出的应力,寿命关系，是材料的基本疲劳性能曲线。,精品,3、平均应力的影响精品,14,本节讨论应力比,R,变化对疲劳性能的影响。,如图所示，应力比,R,增大，表示循环平均应力,Sm,增大。且应力幅,Sa,给定时有,Sm=(1+R)Sa/(1-R),精品,本节讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。精品,15,一般趋势,当,Sa,给定时，,R,增大，平均应力,Sm,也增大。循环载荷中的拉伸部分增大，这对于疲劳裂纹的萌生和扩展都是不利的，将使得疲劳寿命降低。,平均应力对,S-N,曲,线影响的一般趋势,如图所示。,精品,一般趋势精品,16,平均应力,Sm=0,时的,S-N,曲线是基本,S-N,曲线。当,Sm0,，即拉伸平均应力作用时，,S-N,曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命下降，或者说在同样寿命下的疲劳强度降低，对疲劳有不利的影响。,SmS,（拉）,S,（扭）,精品,4、影响疲劳性能的若干因素精品,23,假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积；弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。我们知道疲劳破坏主要取决于作用应力的大小（外因）和材料抵抗疲劳破坏的能力（内因）二者，即疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。假如图中的作用的循环最大应力,Smax,相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也大。,精品,假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的,24,所以，同样的应力水平作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比弯曲时短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲时低。,扭转时疲劳寿命降低，体积的影响不大，需由不同应力状态下的破坏判据解释，在此不作进一步讨论。,精品,所以，同样的应力水平作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比弯曲时,25,2),尺寸效应,不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可以用高应力区体积的不同来解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域材料体积就越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低于小尺寸试件。或者说，在给定寿命,N,下，大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。,精品,2)尺寸效应精品,26,3),表面光洁度,由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应力集中的程度加大，裂纹萌生寿命缩短。材料的基本,S-N,曲线是由精磨后光洁度良好的标准试件测得的。,精品,精品,27,4),表面处理,一般来说，疲劳裂纹总是起源于表面。为了提高疲劳性能，除前述改善光洁度外，常常采用各种方法在构件的高应力表面引入压缩残余应力，以达到提高疲劳寿命的目的。,若循环应力如图中,1-2-3-4,所示，平均应力为,Sm,，则当引入压缩残余应力,Sres,后，实际循环应力水平是原,1-2-3-4,各应力与,-Sres,的叠加，成为,1-2-3-4,，平均应力降为,Sm,，疲劳性能将得到改善。,精品,4)表面处理精品,28,精品,精品,29,表面喷丸处理；零件冷挤压加工；在构件表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命的常用方法。材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，延寿效果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸，效果更好。,表面渗氮或渗碳处理，可以提高表面材料的强度并在材料表面引入压缩残余应力，这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有利的。试验表明，渗氮或渗碳处理可使钢材疲劳极限提高一倍。对于缺口试件，效果更好。,精品,表面喷丸处理；零件冷挤压加工；在构件表面引入残余压应力，都是,30,5),环境和温度的影响,材料的,S-N,曲线一般是在室温、空气环境下得到的。在诸如海水、酸碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀介质的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十分复杂。影响腐蚀疲劳的因素很多，一般有如下趋势：,精品,精品,31,a,）载荷循环频率的影响显著,无腐蚀环境作用时，在相当宽的频率范围内（如,200Hz,以内），频率对材料,S-N,曲线的影响不大。但在腐蚀环境中，随着频率的降低，同样循环次数经历的时间增长，腐蚀的不利作用有较充分的时间显示，使疲劳性能下降的影响明显。,b,）在腐蚀介质（如海水）中，半浸入状态（或海水飞溅区）比完全浸入更不利。,精品,a）载荷循环频率的影响显著精品,32,c,）耐腐蚀钢材，抗腐蚀疲劳的性能较好；许多普通碳钢的疲劳极限则下降较多，甚至因腐蚀环境而消失。,d,）金属材料的疲劳极限一般是随温度的降低而增加的。但随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则易于发生失稳断裂。高温将降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余压应力，也会因温度升高而消失。,精品,c）耐腐蚀钢材，抗腐蚀疲劳的性能较好；许多普通碳钢的疲劳极限,33,