资源描述
第1页/共251页2第2页/共251页3第3页/共251页4第4页/共251页5普及断裂的基本知识，可减少损失普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿亿/ /年年) )。设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿亿/ /年年) )。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。有待于进一步基础研究的突破。如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、高韧性、无缺陷材料的研究等。高韧性、无缺陷材料的研究等。第5页/共251页6第6页/共251页7可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。第7页/共251页8年代190020001800第8页/共251页9控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即： SSf or K Kth 控制疲劳裂纹萌生的是应力幅控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa 。 Sa 小于小于疲劳极限疲劳极限值值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。时，将不发生疲劳破坏。控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子 K=f( S, a)。 K小于小于疲劳疲劳裂纹扩展门槛裂纹扩展门槛值值 Kth时，时，裂纹裂纹不不扩展扩展。对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。第9页/共251页10用于民用飞机，容器，管道，汽车等。用于民用飞机，容器，管道，汽车等。第10页/共251页11选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的够大的ac c和充分的时间，安排检查并发现裂纹。和充分的时间，安排检查并发现裂纹。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。损伤容限设计损伤容限设计 ( Damage tolerance design)第11页/共251页12第12页/共251页133)3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。4)4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。的塑性变形。5)5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口，特征明显：特征明显：1)1)有裂纹源、裂纹扩展区和有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。最后断裂区三个部分。2)2)裂纹扩展区断面较光滑，裂纹扩展区断面较光滑， 通常可见通常可见 “海滩条带海滩条带”, , 还可能有腐蚀痕迹。还可能有腐蚀痕迹。裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区 孔边角裂纹孔边角裂纹 断口断口第13页/共251页14疲劳破坏疲劳破坏 S SSuSu破坏是局部损伤累积的结破坏是局部损伤累积的结果。果。断口光滑，有海滩条带或断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。应力集中对寿命影响大。 由断口可分析由断口可分析、等，是等，是的重要依据。的重要依据。静载破坏静载破坏 S SSuSu破坏是瞬间发生的。破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力应力集中对极限承载能力 影响不大。影响不大。第14页/共251页15疲劳裂纹萌生机理：疲劳裂纹萌生机理：裂纹起源（裂纹源）在何处？裂纹起源（裂纹源）在何处？ 高应力处：高应力处：1 1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2 2）构件表面；）构件表面； 应力较高，有加工痕迹，应力较高，有加工痕迹， 平面应力状态，易于滑移发生。平面应力状态，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂疲劳裂纹成核纹成核扩展至临扩展至临界尺寸界尺寸断裂断裂发生发生第15页/共251页16材料表面材料表面a) 粗滑移b) 细滑移约0.1mN=104N=5 104N=2.7 105（多晶体镍恒幅应力循环）（多晶体镍恒幅应力循环）扰动载荷扰动载荷 应力集中应力集中 滑移带滑移带 驻留滑移带驻留滑移带 微裂纹、扩展微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展宏观裂纹、扩展第16页/共251页17阶段1阶段2SS疲劳裂纹扩展二阶段S材料表面第17页/共251页18c. 充分张开，裂尖钝化，充分张开，裂尖钝化， 开创新表面；开创新表面；d. 卸载卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;e. 裂纹锐化，但已扩展了一个裂纹锐化，但已扩展了一个 a。a. 开始时的裂尖形状；开始时的裂尖形状；b. 应力增加，裂纹张开，应力增加，裂纹张开， 裂尖材料沿裂尖材料沿t tmax方向滑移；方向滑移；t(e)(d)(c)(b)(a)S0cbade 塑性钝化过程第18页/共251页19tS 谱块谱块 循环循环 条带条带 条纹条纹 第19页/共251页20第20页/共251页21第21页/共251页22第22页/共251页23 S ，R=-1 基本疲劳性能 S-N曲线实验研究平均应力的影响 GoodmanGoodman直线 缺口影响尺寸、光洁度 等影响 构件S-NS-N曲线（各种修正） Miner累积损伤理论 雨流计数法第23页/共251页24第24页/共251页25第25页/共251页26再见！谢谢！第26页/共251页27第27页/共251页28应力疲劳应力疲劳: Smax104， 也称也称高周疲劳高周疲劳。应变疲劳应变疲劳: SmaxSy， Nf104， 也称也称低周低周应变应变疲劳。疲劳。 应力水平（应力水平（S）用）用R和和Sa描述。描述。 寿命（寿命（N）为到破坏的循环次数。）为到破坏的循环次数。 研究裂纹萌生寿命，研究裂纹萌生寿命，“破坏破坏”定义为：定义为： 1.标准小尺寸试件断裂。标准小尺寸试件断裂。 脆性材料脆性材料 2.出现可见小裂纹出现可见小裂纹, 或可测的应变降。延性材料或可测的应变降。延性材料应力应力 s s应变应变 e eSyo第28页/共251页29用一组标准试件，在用一组标准试件，在R=-1下，下，施加不同的施加不同的Sa，进行疲劳试，进行疲劳试验，可得到验，可得到S-N曲线。曲线。S103104105106107NfSN第29页/共251页30S103104105106107NfSNSf第30页/共251页31 m与与C是与材料、应力比、加载方式等是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。有关的参数。 二边取对数，有二边取对数，有: lg S=A+B lgN S-N间有间有对数线性对数线性关系；关系；参数参数 A=LgC/m, B=-1/m。Lg S34567Lg NSf第31页/共251页32考虑疲劳极限考虑疲劳极限S Sf f，且当，且当S S趋近于趋近于S Sf f时，时，N N。二边取对数后成为：二边取对数后成为： S=A+B lg N （半对数线性关系）（半对数线性关系） S34567Lg NSf第32页/共251页33500500100015002008000 0AB旋转弯曲疲劳极限S MPaf f 材料极限强度S MPauS /S =0.5S /S =0.5fuS =700S =700f f第33页/共251页34第34页/共251页35( (供初步设计参考供初步设计参考) )Lg S34567Lg N120SuSf第35页/共251页36StR=-1R=-1/3R=0SmSa不变不变，R or Sm ；N ；N不变不变，R or Sm ；SN ;SNSm0aR增大第36页/共251页37SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-110 1 Sm/Su N=107 Haigh 图如图，在等寿命线上，如图，在等寿命线上， Sm ，Sa ； Sm Su。Haigh图图: (无量纲形式无量纲形式)N=107, 当当Sm=0时，时，Sa=S-1； 当当Sa=0时，时，Sm=Su。GerberGoodman第37页/共251页38 2. ： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本S-N曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m103=1.5361025第38页/共251页39 4. 对称循环(Sa=568.4, Sm=0)条件下的寿命，可由基本S-N曲线得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105 (次) 3. 利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工作循环应力水平, 为对称循环下的应力水平Sa(R=-1)，由Goodman方程有： (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出： Sa(R=-1)=568.4 MPa第39页/共251页40S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1D且有：且有： k=1 (45 线线)时，时， Sm=Sa， R=0; k= (90 线线)时，时， Sm=0， R=-1; k=0 ( 0 线线) 时，时， Sa=0， R=1;kh作 DC OA ，DC是R的坐标线，？第40页/共251页41S-1-1ASSaOSumBC-1R=0R=R=1Dh第41页/共251页42对任一点对任一点A，有，有 Sin =Sa/OA, cos =Sm/OA 由由 AOC可知：可知：S1=OC=OASin(45 - ) =( )OA(Sm-Sa)/OA =( )Smin2/22/2ASS-10 C SD S 2-101RSaSm1u第42页/共251页43R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=107N=104, R=0.2Sm=330Sa=220Smax=550Smin=110第43页/共251页44R R-.6-.4-.20.2.4.6.81.0600400200-400-2000200400600200400600200400S /MPamS /MPaaS S /MPaminS S /MPamaxS S /MPamax 7075-T6 7075-T6 铝合金等寿命疲劳图600400200N=106N=105N=104N=107R=0.2N=104, Sa=220, lgSa=2.342N=105, Sa=180, lgSa=2.255 N=106, Sa=150, lgSa=2.176 N=107, Sa=130, lgSa=2.114 Lg S34567Lg N2.12.22.3第44页/共251页45SmaxSmaxddDD弯 曲拉 伸 载荷、尺寸不同时的 高应力区域体积拉弯 疲劳破坏主要取决于疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵作用应力的大小和材料抵抗疲劳破坏的能力。抗疲劳破坏的能力。第45页/共251页46第46页/共251页47400700100013001.00.80.60.40.20表表面面光光洁洁度度系系数数抗拉强度抗拉强度 (Mpa)镜面抛光精磨热轧锻造盐水腐蚀机械加工第47页/共251页48第48页/共251页4910104 410105 510106 610107 7NS500500400400300300200200150150镀镍+喷丸喷丸+镀镍基材镀镍 镀镍、喷丸对疲劳性能的影响第49页/共251页50第50页/共251页51拉伸平均应力拉伸平均应力 大截面尺寸大截面尺寸表面粗造表面粗造 镀铬和镀镍镀铬和镀镍锻造或热轧脱碳锻造或热轧脱碳第51页/共251页52渗氮渗氮 硬化处理硬化处理碳化（渗碳）碳化（渗碳） 喷丸喷丸冷轧冷轧第52页/共251页53再见！谢谢！第53页/共251页54第54页/共251页55实际零构件实际零构件 缺口缺口 应力集中应力集中 疲劳性能下降。疲劳性能下降。第55页/共251页56第56页/共251页57第57页/共251页58典型载荷块典型载荷块：“100100起落”，“万公里”，“年”等。SN(起落次数)100200某飞机主轮毂实测载荷谱滑行滑行滑行拐弯拐弯着陆着陆载荷谱分实测谱和设计谱。载荷谱分实测谱和设计谱。设计寿命期内的设计寿命期内的载荷总谱载荷总谱。SS1S2S30n第58页/共251页59nD0n1D1N1第59页/共251页60第60页/共251页61ABAB第61页/共251页62确定载荷谱，选取拟用的应力水平；确定载荷谱，选取拟用的应力水平；选用适合构件使用的选用适合构件使用的S-NS-N曲线；曲线；计算在应力水平计算在应力水平Si下循环下循环ni次的损伤：次的损伤： Di=ni/Ni；计算总损伤计算总损伤 D= ni/Ni；若若D1，则应降低应力水平或缩短使用寿命。，则应降低应力水平或缩短使用寿命。第62页/共251页63解解： 假定载荷假定载荷P时的应力水平为时的应力水平为Si=200MPa。 由由S-N曲线得到曲线得到Ni, 计算损伤计算损伤Di，列入表中。，列入表中。可知，若取可知，若取S=200MPa, D=1.751,发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。再取再取S=150MPa, 算得：算得： D=0.981, 可达设计寿命。可达设计寿命。载荷载荷Pi ni(106) P 0.05 0.8P 0.1 0.6P 0.5 0.4P 5.0 总损伤总损伤 D= Di= ni/Ni=1.75Si (MPa) 200 160 120 80Di=ni/Ni0.0800.1020.2881.280Ni (106) 0.625 0.976 1.736 3.30615012090601.1111.7363.0866.9440.0450.0580.1620.7190.98第63页/共251页64第64页/共251页65设设由使用经验知由使用经验知构件在构件在B谱下的寿命为谱下的寿命为NB，则：，则：Nn NQBiiBB()DnNiiNn NQAiiAA()待求的另一相似构件待求的另一相似构件在在A谱下的寿命为谱下的寿命为NA，又有：，又有：第65页/共251页66：1.1.是构件相似，主要是疲劳破坏发生的高应力区 几何相似；2.2.载荷谱相似，主要是载荷谱型（次序）相似， 载荷大小可以不同。NQnNNn Nn NAAABBA ()( / ) /( / )许多许多改进设计，改进设计，可以可以借鉴过去原型借鉴过去原型的使用经验；的使用经验；间接考虑了间接考虑了载荷谱型、作用次序及材料分散性载荷谱型、作用次序及材料分散性的的影响；影响；故相对故相对MinerMiner理论预测精度好，应用广泛理论预测精度好，应用广泛。第66页/共251页67第67页/共251页68第68页/共251页69第69页/共251页70恒幅载荷恒幅载荷随机载荷谱？随机载荷谱？变幅载荷变幅载荷Miner计数法计数法载荷0t正变程负变程峰谷 相邻峰、谷点载荷值之差。有正、负变程 斜率改变符号 之处。第70页/共251页71第71页/共251页72St0典型谱段雨流计数法雨流计数法要求典型段要求典型段从从最大峰或最大峰或谷处起止。谷处起止。01122雨流计数典型段不失一般性。不失一般性。第72页/共251页73ABCDEFGHIJA024-2-4tSABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流BCEFGHIJE024-2-4SB第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流FI记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出 S, Sm。删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。第73页/共251页74ABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流BCEFGHIJE024-2-4SB第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流FI雨流计数结果循环变程均值EHE70.5BCB4 1ADA90.5FGF3-0.5IJI2-1雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。第74页/共251页75若转换时若转换时 R不变，不变， N1、N2可用相同的可用相同的S-N曲线曲线 SmN=C 表示时，表示时，等损伤转换条件等损伤转换条件为：为： n2=n1(N2/N1)=n1(S1/S2)m. 计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级？计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级？不同载荷间转换的原则: : 。将将S1下循环下循环n1次的载荷，转换成次的载荷，转换成S2下循环下循环n2次，次，等损伤转换条件等损伤转换条件为：为： n1/N1=n2/N2 或或 n2=n1(N2/N1) N1、N2分别为在分别为在(S1, R1)和和(S2 ,R2)下的寿命。下的寿命。 第75页/共251页76第76页/共251页77第77页/共251页78第78页/共251页79第79页/共251页80第80页/共251页81第81页/共251页82第82页/共251页83第83页/共251页84： 7075-T6铝 R=-1,恒幅 45678X=lgN 1050 99.9Pf100 7075-T6铝合金对数疲劳寿命分布2430.117030999051Sinclair和Dolan,1953.15第84页/共251页85207MPa下 57件，寿命: 2106 108次；240MPa下 29件，寿命: 7105 4106次275MPa下 34件，寿命：1105 8105次310MPa下 29件，寿命：4104 1105次430MPa下 25件，寿命：1.51042104次。共174件NS(MPa)400300200104101010105678klgN2015105678+207 MPa共57件 寿命分布直方图100102 倍第85页/共251页86a ai i第86页/共251页87材质不均匀，加工质量，加载误差，试验环境等。裂纹、缺口件的疲劳破坏局限在裂纹或缺口高应力局部，上述因素影响较小。 给定应力水平下，寿命小于N的概率pf？ 存活率为ps（如99%）的疲劳寿命？疲劳寿命常用对数正态分布、威布尔分布描述。第87页/共251页880f(x)x=X正态概率密度曲线 对数疲劳寿命lgN常常是服从正态分布的。 令X=lgN, X 即服从正态分布。f xx( )exp()12222密度函数：( -x ) 是均值；f (x)关于x=对称为标准差，是非负的。第88页/共251页89越小， f ()越大，曲线越瘦，X的分散性越小。故标准差反映X的分散性。 (1) f(x)0 ; 随机变量X取值的可能性非负。在x=处, f (x)最大，且:f(x=)=12：(无论分布形式如何)1)(dxxf(2) ；所有取值的总可能为1。f xx( )exp()122220f(x)x=X正态概率密度曲线第89页/共251页90dxxdxxfxXxFxx2)(exp21)()Pr()(22F(x)是X小于等于x的概率, 是f(x)在x左边的面积。0f(x)xX正态概率密度曲线F(x)1-F(x)1)(dxxf第90页/共251页91令, 即有：ux()xu注意 dx=du, 由公式可得到为： ( -u )( )( )exp()uf xdxduu12122U0-uu(u) 标准正态分布密度函数 u服从均值 =0、标准差 =1的正态分布。则为：)()21exp(21)(2xduuuu第91页/共251页92u0或(u)0.5，利用(-u)=1-(u)的关系求解。注意有： (0)=0.5 ； (-u)=1-(u)； Pr(auQ0, 故相关系数 r 1第115页/共251页116XY0r1完全相关XY0r-1完全相关XY0r0完全不相关rr当 时，有Q0，数据点基本在回归直线上，变量X、Y相关密切；1rrQ Lyy21 / , Q, 数据点越分散，相关越差； 若 0， X、Y完全不相关。相关系数r与B同号，r0, 则B0，正相关； r0，B0，负相关。rrXY00r1正相关XY0-1r0负相关第116页/共251页117 回归方程反映随机变量间的相关关系？ 是相关系数起码值，可查表。 与样本容量n有关，n越大， 越小。 与置信水平有关，=1-越大， 越大。 是显著性水平 ，或纳伪概率。rrr相关性检验条件为： rr表3-4 相关系数 的起码值 n-2 0.05 0.01 n-2 0.05 0.01 n-2 0.05 0.01 1 0.997 1.000 5 0.754 0.874 10 0.576 0.708 20 0.423 0.537 30 0.349 0.449 40 0.304 0.393r第117页/共251页118对应于任一x0，y0正态分布，n大时，分布参数可估计为： = =A+Bx =s=Q/(n-2)1/2 =(Lyy-B2Lxx)/(n-2)1/2yYX0 x0y0y=A+Bx利用回归方程进行统计推断yy0= +3syy0= -3s直线 y= +ups所对应的概率为 p=Pr(Yy) 。如，up=3时，p=99.87%， 故y落在y= +3s之下的概率为99.87%，上限。yy up=-3时，p=0.13%，y= -3s 为0.13%的下限。 y在y= +3s间的概率为p=99.74%。 up=0时，p=50%，故y= =A+Bx对应概率50%yyy第118页/共251页119 获取样 本数据 (xi,yi) 共n对下面通过一例题，进一步了解其分析步骤。作散点图 回归方程 的形式 y=A+Bx 最小二乘 法确定回 归系数 A、B相关系数 r相关性检验 rr用回归方程进行预测和统计推断第119页/共251页120第120页/共251页121回归系数： B= Lxy/Lxx=-0.2054 m=-1/B=4.87 A=y-Bx=3.2974 C=lg-1(Am)=1.121016 ：r= =-0.975 (负相关)；取=0.05时，注意 n-2=2，查表知 =0.950，故有 r ， 满足相关性检验条件。LxyLLxxyy/rr第121页/共251页122破坏率为1%时，up=-2.326, 即有： y=A+Bx-2.326s=3.2362-0.2054x 破坏率为1%的S-N曲线为： (p=0.01)SNa4 87155 75810.回归方程可用, 且： (p=0.50)SNa487161 1210. 注意：由于数据点少(n=4), 若取=0.01，则 r epa，S103)(epaeea，SSys，N104)11CNSm22CNmpae第164页/共251页165 f f - - 疲劳强度系数，应力量纲；疲劳强度系数，应力量纲； b - b - 疲劳强度指数，无量纲；疲劳强度指数，无量纲；e ef f - - 疲劳延性系数，无量纲；疲劳延性系数，无量纲； c - c - 疲劳延性指数，无量纲。疲劳延性指数，无量纲。大多数金属材料，大多数金属材料，b=- -0.06 - -0.14, c=- -0.5 - -0.7。近似估计时取：近似估计时取： b - -0.1, c - -0.6 。eeeeaeapafbfcENN ()()22在以e epa为主的阶段，有 e epa=e ef (2N)c这就是著名的Manson-Coffin公式公式 (1963年) 。第165页/共251页1662Nt为，大于2Nt，e eea为主，是应力疲劳；寿命小于2Nt，e epapa为主，是低周应变疲劳。lgN0lge eaR=-1-Ne ea1b-Ne eeac-Ne epa 低周疲劳 高周疲劳eftbftcENN()()22若若e eeaea= =e epapa，N=NN=Nt t , , 有：有：由此可得：由此可得：21NEtffb c ()()e e 第166页/共251页167显然，二式中显然，二式中e epa的项的系数和指数应分别相等，的项的系数和指数应分别相等，故六个系数间有下述关系：故六个系数间有下述关系： Kffb ce/();/ nb c/由由 a- -e ea曲线有：曲线有： 和和 e eaeaE e eapanK ()由由e ea -2N曲线有：曲线有： 和和e e eafbEN ()2e ee epafcN ()2前二个方程消去前二个方程消去 a，后二个方程消去，后二个方程消去2N2N，可得：，可得：EKeapanee()0Eeaffb cpab ceee(/)()/0第167页/共251页168注意注意 b b、c c0 0；同样可知，拉伸平均应力有害，压缩平；同样可知，拉伸平均应力有害，压缩平均应力有利。均应力有利。高应变范围，材料延性高应变范围，材料延性 ；寿命；寿命 ；低应变长寿命阶段，强度低应变长寿命阶段，强度 ，寿命，寿命 。一般。一般金属材料，金属材料，e ea=0.01，N 1000。e ea高强度材料高强度材料高延性材料高延性材料2N0.010.0120002000ee350120606.()().SENNuf由拉伸性能估计材料的由拉伸性能估计材料的e e-N-N曲线曲线：式中，式中，S Su u为极限强度；为极限强度；e ef f是断裂真应变。是断裂真应变。考虑平均应力的影响有：考虑平均应力的影响有： (SAE疲劳手册疲劳手册1968)eeafmbfcENN ()()22第168页/共251页169考虑平均应力：考虑平均应力：eeafmbfcENN ()()22循环循环响应响应计算计算e ea和和 m稳稳态态环环估算估算寿命寿命 2N2NeeeeaeapafbfcENN ()()22R=-1， m=0已知已知 e e 、 历程历程第169页/共251页1700.020.0050-0.005-0.02(A) (B) (C)te e12 4 2 4 33 3 20 101解解：A) e ea=0.005； m=0。 直接由直接由估算寿命，估算寿命，得：得： 2N=11716, N=5858次次eeafmbfcENN ()()22第170页/共251页1712-3 ee2-3=0.01, 由滞后环曲线得由滞后环曲线得 2 2-3=772MPa e e3=0.005, 3=342MPa。3-4 注意注意2-3-4形成封闭环。故形成封闭环。故 e e4=e e2, 4= 2。 B B）1. 计算计算 - -e e响应：响应： 0-1 e e1=0.02= 1/E+( 1/K)1/n 1 1=542 MPa0.020.0050-0.005-0.02 (B) te e 2 4 3 11-2 ee1-2=1-2/E+2(1-2/2K)1/n e e1-2=0.025 1-2=972MPa 有：有：e e2=e e1-ee1-2=-0.005； 2= 1-1-2=-430MPa。第171页/共251页172引入了引入了( m0),疲劳寿命延长，是有利的。是有利的。( (情况情况A A：N=5858次) )2. 画画 - -e e响应曲线。响应曲线。012,43 e e(B)由稳态环求得：由稳态环求得： e ea =(e e3 3- -e e4 4)/2=0.005； m=( 3 3+ + 4 4)/2=-44MPa。3. 估算寿命，有：估算寿命，有：e e e eafmbfcENN ()()22代入数值代入数值后解后解得：得： 2N=12340 所以，所以， N=6170 次循环。次循环。第172页/共251页173C）1. 循环响应计算： 0-1： e e1 1=0.02，1 1=542MPa。 注意注意到拉压对称性且此处是压缩， 故： e e1 1=-0.02时，。0.020.0050-0.005-0.02 (c) te e 2 4 3 1012,43 e e(C)2. 画画 -e e响应曲线得：响应曲线得： e ea =0.005； m=( 3+ 4)/2=44 Mpa3. 求寿命：求寿命： N=5565 次循环。次循环。压缩高载引入残余拉应力压缩高载引入残余拉应力, N ，是有害的是有害的。由滞后环曲线计算后续响应得：由滞后环曲线计算后续响应得： e e2 2=0.005， 2 2=430MPa e e3 3=-0.005， 3 3=-342MPa第173页/共251页174t“若缺口根部承受与光滑件相同的若缺口根部承受与光滑件相同的 应力应变历程，则将发生与光滑应力应变历程，则将发生与光滑 件相同的疲劳损伤件相同的疲劳损伤”。缺口根部材料元在局部应力缺口根部材料元在局部应力 或应变或应变e e循环下的寿命，循环下的寿命，可由承受同样载荷历程的光滑件预测。可由承受同样载荷历程的光滑件预测。PpS=P/(W-d)t 第174页/共251页175第175页/共251页176再由应力再由应力- -应变关系应变关系 e e= = /E+( /K)1/n 计算局部应力计算局部应力 。图中图中C C点即线性理论给出的解。点即线性理论给出的解。已知已知 S 或或e应 力应 力应 变应 变 关系关系 求求S或或ee e=Kte应变集中的不变性假设应变集中的不变性假设： Ke e=e e/e=Kt eee e0曲线CAs 缺口局部应力缺口局部应力- -应变应变S-eK ete B第176页/共251页177图中，图中，NeuberNeuber双曲线与材料双曲线与材料 - -e e曲线的交点曲线的交点D D，就是，就是NeuberNeuber理论的解答，比线性解答保守。理论的解答，比线性解答保守。如带缺口薄板拉伸。如带缺口薄板拉伸。假定：假定： Ke eK =Kt2 二端同乘二端同乘eS，有：，有： (Ke ee)(K S)=(KtS)(Kte), 得到双曲线：得到双曲线： ee=Kt2eS Neuber双曲线双曲线应力应力-应变关系应变关系已知已知S 或或e应力应力-应变应变 关系关系 求求S或或e联立求解联立求解 和和e e eee e0曲线CAs 缺口局部应力缺口局部应力- -应变应变S-eK ete BNeuber双曲线De 第177页/共251页178 1) 1) ： 有: : e e=Kte=30.01=0.03 由应力- -应变曲线： e e= =0.03= = / /60000+( / /2000)8 可解出: : =1138 MPa解解：已知：已知 S=600MPa, 由应力由应力-应变曲线：应变曲线： e=S/60000+(S/2000)1/0.125 求得名义应变为：求得名义应变为： e=0.01+0.38 0.01第178页/共251页179可见，可见，Neuber理论估计的理论估计的 , ,e e大于线性理论，是偏于保守大于线性理论，是偏于保守的，工程中常用。的，工程中常用。2) : 有Neuber双曲线: ee=Kt2eS =90.01600=54 和应力- -应变曲线： e e= =/60000+(/2000)8联立得到：联立得到： / /60000(/2000)60000(/2000)8 85454/ / 可解出：可解出： = =1245 Mpa； 且有：且有： e e=54/=54/ =0.043线性理论结果：线性理论结果：e e=0.03， =1138 MPa第179页/共251页180 对于循环载荷作用的情况，第一次加载用循对于循环载荷作用的情况，第一次加载用循环应力环应力- - 应变曲线；其后各次载荷反向，应力应变曲线；其后各次载荷反向，应力- -应应变响应由滞后环描述。变响应由滞后环描述。：已知应力S或应变e的历程, , 已知K Kt t； 计算缺口局部应力 、e e。 找出稳态环及e ea和 m，进而估算寿命。 无论名义无论名义应力应力S、应变、应变e或或缺口应力缺口应力 、应变应变e e，都应在材料的都应在材料的应力应力-应变曲线上。应变曲线上。第180页/共251页181联立求解联立求解、ee。第181页/共251页182第182页/共251页183S (MPa)4000123t第183页/共251页184第184页/共251页185 将将 e ea=0.003141, m=247MPa 代入方程，代入方程， 解解得：得： N=12470 次循环。次循环。0820326 e e(MPa)1,32第185页/共251页186S (MPa)5004000Smax1Smin201Smax223tn1n2100第186页/共251页1871-2 已知已知 S S1 1-2=400, 有有 e1-2=0.002。 由由Neuber曲线和曲线和 - e e曲线联立求得曲线联立求得： 1 1-2=1146, , ee1 1-2=0.006283 有：有： 2 2=-261MPa, e e2 2=0.0068870-1 已知已知S1=500 e1=0.00259 由由Neuber曲线和曲线和 a -e ea曲线曲线 联立求得联立求得： 1 1=885MPa, , e e1 1=0.013172-3 1-2-3形成封闭环，故形成封闭环，故 3= = 1 1, , e e3= =e e1 1。S (MPa)5000123t100第187页/共251页18801,32 e e885-2613. 估算寿命，有：估算寿命，有：e e e eafmbfcENN ()()22 将将 e ea=0.003141, m=312 MPa 代入方程，代入方程， 解解得：得： N2=10341 次循环。次循环。4) 由由Miner理论有：理论有： n1/N1+n2/N2=1 解得：解得：n2=6195 次循环。次循环。第188页/共251页189： 循环应力应变曲线 滞后环曲线e ee ee e aeapaaanEK ()1 e ee ee e epnEK221()2) 材料的疲劳性能材料的疲劳性能： e e-N-N曲线曲线 考虑平均应力考虑平均应力影响影响e ee ee e e eaeapafbfcE EN NN N ( () )( () )2 22 2e e e eafmbfcENN ()()22第189页/共251页190循环循环响应响应计算计算e ea和和 m稳稳态态环环估算估算寿命寿命 2N2N已知已知 e e 、 历程历程第190页/共251页191联立求解联立求解、ee。第191页/共251页1927）变幅载荷下，变幅载荷下，Miner累积损伤理论累积损伤理论 仍然可用。仍然可用。第192页/共251页193第193页/共251页194第194页/共251页195第195页/共251页196第196页/共251页197中心裂纹WB边裂纹表面裂纹2ct第197页/共251页198裂纹尺寸使用时间a) 裂纹扩展曲线剩余强度裂纹尺寸b) 剩余强度曲线第198页/共251页199第199页/共251页200第200页/共251页201第201页/共251页202裂纹的三种基本受载形式：zxyzxyz第202页/共251页203xy2adxdyr第203页/共251页204xy2adxdyrqyar221cosqq232sinsintqqqxyar22232sincoscosqxar=-221cosqq232sinsin(5-1)第204页/共251页205qijijKr12()Ka1 xy2adxdyr第205页/共251页2061Kaf a W1 ( ,.)第206页/共251页207第207页/共251页208第208页/共251页209第209页/共251页210作用(、a)越大，抗力()越低，越可能断裂。第210页/共251页211第211页/共251页212第212页/共251页213第213页/共251页214第214页/共251页215第215页/共251页216第216页/共251页217qijijKr12()Ka1 第217页/共251页2181第218页/共251页219第219页/共251页220第220页/共251页221第221页/共251页222第222页/共251页223作用 K=f (, a, .) 由力学分析得到； 弹性力学方法，有限元法，手册等。第223页/共251页224L=4WWP三点弯曲（B=W/2）)( 7 .38)( 6 .37)( 8 .21)( 6 . 4)( 9 . 22/92/72/52/32/ 12/3WaWaWaWaWaBWPLK)(639)(1017)( 7 .655)( 5 .185)( 6 .292/92/72/52/32/ 12/ 1WaWaWaWaWaBWPK2孔 0.25WPPW1.25W1.2W0.55W第224页/共251页225PP试验机引伸计输出V第225页/共251页226PmaxP0VP500P5PmaxPmax第226页/共251页227用工具显微镜BW第227页/共251页228KBKc第228页/共251页229第229页/共251页230第230页/共251页231)(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090.1)(432WaWaWaWaWaf)(2321WafaBWPLK第231页/共251页232 将a/W=32/60=0.533， 56kN 代入，算得： KQ=90.5 MPa第232页/共251页233第233页/共251页234第234页/共251页235第235页/共251页236)(1xFaK)2/sec()(xxF)(1xFaK第236页/共251页237第237页/共251页238第238页/共251页239KKK PPKK WPP第239页/共251页24005.1(6Pe2/Wa Wa/x43239.3072.2155.10231.012.1)(xxxxxF);(xFaKtWaP/37.1K第240页/共251页241)0.025/01.03.637.1(005.014.3025.060)/3.637.1(1WeaWKPcc第241页/共251页242qijijKr12()Ka1 第242页/共251页2431第243页/共251页244第244页/共251页245第245页/共251页246xy2adxdyrqyar221cosqq232sinsintqqqxyar22232sincoscosqxar=-221cosqq232sinsin(5-1)rpax yysABDoHK第246页/共251页247第247页/共251页248xzy第248页/共251页249xzy第249页/共251页250第250页/共251页251感谢您的观看！第251页/共251页
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