（机械设计及理论专业论文）应力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度影响的研究.pdfVIP

气p 一 。， - - i 一- ： at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y r e s e a r c ho ns t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s i z ea n d s u r f a c ei m p a c t i n go nm e t a lf a t i g u e b yt a n gw e n q i u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i el i y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 矗 t i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名叼f 砂叭 签字日期： 1 ，。一一，一一 ，”一一一”一1 一，一 五 ，、，一广、 ，。 东北大学硕士学位论文 摘要 应力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度影响的研究 摘要 随着世界范围内能源危机的出现和材料价格上涨，产品和市场竞争日趋激烈，迫 使大部分机械工程和建筑工程领域都要应用疲劳理论和方法，以设计出既安全又经济 的产品和工程。现今，人们对疲劳防治对策和疲劳失效分析已有较为深刻的理解，但 就其强度影响因素方面而言，目前的研究成果在很多情况下与工程实际还有一定的差 距，还不能为实际应用提供精确、有效的指导。因此，疲劳强度影响因素的问题至今 仍然是一个有待于进一步研究的课题。 材料的s 一曲线和疲劳极限，只能代表标准光滑试样的疲劳极限，而实际零件 的尺寸、形状和表面情况是各式各样的，与标准试样有很大差别。因此，在进行零件 的疲劳强度设计时必须考虑这些因素对疲劳强度的影响。影响机械零件疲劳强度的因 j 素有很多，有应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等，其中 以前三种最为重要。 本文从应力集中、尺寸效应、表面状态影响疲劳强度的作用机制着手，在总结和 评论前人提出的k ，与k 关系式后，发现现有的二者关系式均为线性关系。在对大量 疲劳实验数据的分析后，本文提出疲劳缺1 3 系数k ，与理论应力集中系数k 之间满足 二次多项式关系，而且与材料的热处理方式有关，并选取相应的试验数据对其关系做 以验证。对采用不同试验方法过程中，尺寸对疲劳强度的影响机制作详细分析。分析 表面微观形貌与微应力集中的关系，在考虑表面加工对疲劳缺口的影响后，对敏感度 法求疲劳缺口系数的公式进行修正，从而得出更合理的抗疲劳设计中综合影响系数的 计算方法。应用改进的b p 神经网络分析应力集中、尺寸和表面对疲劳强度的影响关 系，利用文献中的试验数据，建立一个双隐含层的b p 神经网络模型，在m a n a b 程 序中实现该神经网络的训练和验证过程。通过该模型可以计算任意零件的疲劳强度综 合影响系数，进而得到零件的疲劳强度。 应力集中；缺口；尺寸；表面状态；疲劳强度 h 1i 东北大学硕士学位论文 a b s t i 8 c t r e s e a r c ho ns t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s i z ea n d s u r f a c ei m p a c t i n go nm e t a lf a t i g u e a bs t r a c t w i t hw o r l d w i d ee n e r g yc r i s i sa n dp r i c ei n c r e a s e s ，c o m p e t i t i o ni si n c r e a s i n g l yf i e r c e ， f o r c i n gm o s to ft e c h n i c a lp e r s o n n e lt ou s ef a t i g u et h e o r ya n dm e t h o d st oc r e a t eas a f ea n d e c o n o m i c a lp r o d u c t s t o d a y , p e o p l eo ft h ef a t i g u ef a i l u r ea n a l y s i sh a sb e e nm o r ep r o f o u n d u n d e r s t a n d i n go f , b u to ni t ss t r e n g t hi nt e r m so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h ec u r r e n tr e s e a r c h r e s u l t st h e r ei s s t i l lac e r t a i ng a p ，b u ta l s oc a nn o tp r o v i d ef o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h ef a t i g u ef a c t o ra f f e c t i n gt h ei s s u ei ss t i l lan e e dt ob eo nt h es u b j e c t t h es - nc u r v ea n df a t i g u el i m i t ，t h eo n l yr e p r e s e n t a t i v es a m p l eo ft h es t a n d a r d s m o o t hf a t i g u el i m i ta n dt h ea c t u a lp a r t so ft h es i z e ，s h a p ea n ds u r f a c ei saw i d er a n g eo ft h e s t a n d a r ds a m p l ea r ev e r yd i f f e r e n t t h e r e f o r e ，t h ef a t i g u es t r e n g t hi np a r t so ft h ed e s i g n m u s tt a k et h e s ef a c t o r s i n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so ff a t i g u e f a t i g u es t r e n g t ho ft h e m e c h a n i c a lp a r t sa f f e c t e db yal o to ff a c t o r s ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，p a r t ss i z e ，s u r f a c e ， e n v i r o n m e n t a lm e d i a , l o a d i n gs e q u e n c ea n df r e q u e n c y , b e f o r et h et h r e em o s ti m p o r t a n t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ei m p a c to ff a t i g u ef r o ms t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s i z ee f f e c ta n d s u r f a c ef i n i s h e d a f t e rs u m m i n gu pa n dc o m m e n to nt h er e l a t i o n s h i po fk fa n dk t ，f o u n d t h a tt h ee x i s t i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h et w oa l l - l i n e a rr e l a t i o n s h i p i nal o to ff a t i g u et e s td a t a a n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d t h e f a t i g u en o t c h f a c t o ra n dt h et h e o r e t i c a ls t r e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o rh a dp o l y n o m i a lr e l a t i o n s ，t h a tr e l a t e dt ot h eh e a tt r e a t m e n tm e t h o d s u s ed i f f e r e n tt e s tm e t h o d si nt h ec o u r s eo ft h es i z eo ft h ei m p a c to ff a t i g u eo nt h e p r o d u c t i o no fd e t a i l e da n a l y s i s i ta n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i po fs u r f a c em o r p h o l o g ya n d m i c r o s t r e s sc o n c e n t r a t i o n i nc o n s i d e r i n gt h es u r f a c ep r o c e s s i n go ff a t i g u e ，t h ef o r m u l af o r t h es e n s i t i v i t yo ff a t i g u en o t c hf a c t o rh a db e e na m e n d e d i m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r k a n a l y z e dt h ei m p a c to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s i z ea n ds u r f a c ef i n i s h e do nf a t i g u e e s t a b l i s h e d 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和选题意义1 1 2 金属疲劳的基本理论2 1 2 1 疲劳的基本概念和分类2 1 2 2 金属疲劳破坏机理3 1 2 3 抗疲劳设计方法4 1 3 疲劳强度影响因素的研究现状6 1 2 1 应力集中的影响一6 1 2 2 尺寸的影响7 1 2 3 表面状态的影响。7 1 4 发展动态8 1 5 课题研究的主要内容1 0 第2 章应力集中1 1 2 1 缺口周围的弹性应力分布1 1 2 1 1 弹性力学理论分析1 2 2 1 2a n s y s 有限元分析1 6 2 2 应力集中表征量2 2 2 2 1 理论应力集中系数2 2 2 2 2 疲劳缺口系数2 3 2 3 缺口试样在零平均载荷下的试验数据2 7 2 4 k ，与k 的关系3 2 2 4 1 k ，与k 相等关系3 2 2 4 2k ，与k 线性关系3 3 2 4 3 k t 与k 二次关系3 9 东北大学硕士学位论文 2 5 本章小结4 5 第3 章尺寸效应4 6 3 1 尺寸效应的机制和影响因素4 6 3 2 尺寸系数的确定4 8 3 3 不同试验方法与尺寸的影响4 8 3 3 1 试验数据4 8 3 3 2 影响机制。5 3 3 4 本章小结5 6 第4 章表面状态5 7 4 1 影响机制5 7 4 1 1 切削加工的影响5 7 4 1 2 电抛光的影响6 1 4 1 3 消除应力的影响。6 1 4 1 4 锻造表面的影响。6 2 4 2 表面加工系数确定6 4 4 3 表面微观形貌与微应力集中的关系6 5 4 4 本章小结6 8 第5 章基于b p 神经网络疲劳影响因素分析6 9 5 1b pi 网络理论6 9 5 1 1b p 网络建模特点6 9 s 1 2b p 网络结构6 9 5 1 3b p 网络学习规则与计算方法7 0 5 2 3 p 网络的应用7 3 5 2 1 数据的预处理。7 3 5 2 2 神经元层数和节点数的确定。7 3 5 2 3 初始权值和学习率的确定7 5 5 2 4 激活函数的选择7 6 5 2 5b p 网络学习算法的改进7 6 5 3b p 神经网络分析疲劳强度影响因素。7 7 5 3 1 确定神经网络结构。7 7 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 2 神经网络的公式化7 9 5 3 3 网络模型的验证8 1 5 4 本章小结8 2 第6 章结论8 3 参考文献8 4 致谢8 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和选题意义 疲劳这个词起源于拉丁文的“f a t i g a r e ”一词，意喻“疲倦 ，作为工程词汇用以 表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。日内瓦国际标准化组织( i s o ) 将金属疲 劳描述为l l 】“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。”由于 工程中绝大多数机械在动载荷作用下工作，因此疲劳破坏问题普遍存在于各种机械之 中。它的危险性表现在，引起疲劳失效的循环载荷峰值往往远小于根据静态断裂分析 估算出来的安全载荷，并且在达到疲劳寿命时无明显征兆，结构会突然断裂失效。机 械结构失效的突然性给工程应用带来很大的威胁，疲劳问题研究至今仍是机械强度研 究的重点内容之一。 金属仍是结构材料的主力军，还没有任何材料能将其全面取代。我国正在进行大 规模的基础设施建设，各类建筑、轻型节能汽车、高速铁路、重载桥梁等部门都需要 大量性能好、寿命长、价格低廉的钢材。从对金属材料的应用趋势看，现阶段用量最 大的三类钢为合金结构钢、碳素结构钢和工具钢【2 】。尤其是合金结构钢以其量大、面 广、性能优良、价格便宜，具有优良的综合使用性能，广泛应用在航空、航天、车辆、 舰船和精密仪器等领域，在与新型材料竞争中处于有利地位。 近年来，随着机械设备向高速大型化发展，机械零构件的服役条件也越来越恶劣， 使得疲劳失效事故层出不穷。因而对作为关键主承力构件提出了高承载、长寿命、高 可靠使用、抗恶劣环境等要求。合金结构钢的发展方向将越来越注重提高其使用的可 靠性和经济性，即在满足结构强度要求的前提下提高安全性和寿命。 疲劳问题的研究和应用，最初只限于那些对人身安全有重大影响或耗资巨大的设 备和构件。随着世界范围内能源危机的出现和材料价格上涨，产品和市场竞争日趋激 烈，迫使大部分机械工程和建筑工程领域都要应用疲劳理论和方法，以设计出既安全 又经济的产品和工程。现今，人们对疲劳防治对策和疲劳失效分析已有较为深刻的理 解，但就其强度影响因素方面而言，目前的研究成果在很多情况下与工程实际还有一 定的差距，还不能为实际应用提供精确、有效的指导。因此，疲劳强度影响因素的问 题至今仍然是一个有待于进一步研究的课题。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 10 2 金属疲劳的基本理论 10 2 1 疲劳的基本概念和分类 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值即使始终没有超过材料的 强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用 下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。 疲劳破坏和传统的静力破坏有许多明显的本质差别：静力破坏是一次最大载荷作 用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用产生的破坏，它不是短期内发生的，而是 要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。当静应力小于屈服极限或强度极限时， 不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下， 疲劳破坏就可能发生。静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在 宏观的显著塑性变形迹象，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破 坏具有更大的危险性。在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在 疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或 纤维状。静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构 件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关。 材料或构件疲劳性能的好坏是用疲劳强度来衡量的，所谓疲劳强度就是指材料或 构件在交变载荷作用下的强度。疲劳强度的大小是用疲劳极限来衡量的，所谓疲劳极 限就是指在一定循环特性，下，材料或构件可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏的 最大应力。，。常用的表征材料疲劳特性的曲线有s 一曲线和p s 一曲线。s 一 曲线是由试验测定出的中值疲劳寿命、中值疲劳强度和中值疲劳极限各数据点拟合而 成。p s 一曲线由试验测定出的安全疲劳寿命、安全疲劳强度和安全疲劳极限各数 据点拟合而成。 疲劳研究的分类有很多种，按照不同的分类方式有不同的种类。按研究对象可以 分为材料疲劳和结构疲劳；按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳；按应力状态可 以分为单轴疲劳和多轴疲劳；按载荷变化情况可以分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲 劳；按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热机械疲劳、 腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳等。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 2 金属疲劳破坏机理 工程中常用的金属均为多晶体，由于各个晶粒位向不同，位错、夹杂等微观、宏 观缺陷及第二相的存在，在多晶体中存在着各向异性和非均质性。而疲劳破坏总是由 应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩 展。所以金属的疲劳破坏与多晶体的非均质性和各向异性密切相关。一般说来，金属 的疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。 疲劳裂纹萌生都是由塑性应变集中所引起，有三种常见的萌生方式：滑移带开裂， 晶界或孪晶界开裂，夹杂物或第二相与基体的界面开裂。其中滑移带开裂不但是最常 见的疲劳裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本的一种。这是由于在晶界开裂和 夹杂物界面开裂之前，也都要先产生范性形变和形成滑移带。纯金属和单相金属的疲 劳裂纹萌生方式多为滑移带开裂。密排六方晶系因滑移系较少，滑移困难，孪晶形变 较为常见。在许多商用高强合金中，粗大的夹杂物和其它第二相质点的存在对裂纹萌 生起着重要作用。这些材料的屈服强度一般很高，只有在很高的应力幅下才能产生滑 移带。但夹杂物或第二相质点处的高应力集中使得其在较低的名义应力下出现局部范 性形变，导致在夹杂物和基体的界面上萌生裂纹。 疲劳裂纹扩展可分为第1 阶段裂纹扩展和第1 i 阶段裂纹扩展两个阶段。疲劳裂纹 在滑移带上萌生以后，首先沿着切应力最大的活性面扩展，具有一定的结晶学特性。 在单轴应力下，即沿着与应力成4 5 。角的滑移面扩展，这种切变形式的扩展称为第1 阶段疲劳裂纹扩展。此阶段在滑移带上往往萌生有很多条微裂纹，在继续施加循环载 荷的过程中，这些微裂纹扩展并相互连结。但绝大多数裂纹很早就停止扩展，只有少 数几条能超过几十个微米的长度。在微裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒的深度以后， 裂纹的扩展方向开始由与应力成接近4 5 。角的方向逐渐转向与拉应力相垂直的方向。 这种拉伸型式的裂纹扩展，称为第1 i 阶段裂纹扩展，它不再有结晶学特性。在裂纹扩 展的第1 i 阶段，只剩下一条主裂纹，其它裂纹在笫i 阶段结束以前已停止扩展。 失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段，它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的。 但从疲劳的全过程来说，则仍是渐进式的，是由损伤逐渐累积引起的。失稳断裂是损 伤积累到临界值的一种表现，是裂纹扩展到临界尺寸，裂纹尖端的应力强度因子达到 临界值的结果。失稳断裂的机制与静载脆性断裂相同，只是由于二者的加载速率不同， 其临界应力强度因子值与静载下的断裂韧度值有所差别。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 抗疲劳设计方法 抗疲劳设计准则已由无限寿命设计发展到损伤容限设计，但各种准则各有其不同 的应用范围，并不能完全互相取代。 ( 1 ) 无限寿命设计 无限寿命设计是最早的抗疲劳设计准则，它要求零构件的设计应力低于其疲劳极 限，从而具有无限寿命。对于要求经历无限次循环( 1 0 7 次) 的零构件，如发动机气 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然是一种简单而 合理的设计准则。 ( 2 ) 安全寿命设计 实用中称有限寿命设计为安全寿命设计，它只保证零构件在规定的使用期限内能 够安全使用，允许零构件的工作应力超过其疲劳极限。安全寿命设计必须考虑安全系 数，以及疲劳数据的分散性和其它未知因素的影响。在设计中既可以对应力取安全系 数，也可对寿命取安全系数，或者规定两种安全系数都要满足。它可根据s 一曲线 或一n 曲线进行设计，前者称为名义应力有限寿命设计，后者称为局部应力应变法。 ( 3 ) 损伤安全设计 该准则承认疲劳裂纹可以出现，但在裂纹被检测和进行修理之前，出现的裂纹不 会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和保养，以及时发现裂纹，同时要求裂纹 扩展速度较慢。此外还希望所设计的结构能够进行载荷转移，即当结构中的某一环节 破坏后载荷能够被转移并重新分布。因此在结构中可以设置多载荷通道和裂纹阻止器， 并制定适当的检查程序和检查间隔周期。 ( 4 ) 损伤允许设计 该准则是损伤安全设计的改进，它假定裂纹是存在的，由加工过程或疲劳引起。 用断裂力学的分析和实验方法鉴定这些裂纹是否在定期检查被查出以前将扩展到足够 大，以致造成破坏。这个准则适用于裂纹扩展较慢、并有高断裂韧性的材料。 ( 5 ) 耐久性设计 耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。这种 方法首先要定义疲劳破坏严重细节处的初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量 相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状 态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 上述各种疲劳设计准则，反映了疲劳断裂研究的发展与进步。但是由于疲劳问题 十分复杂，影响因素又多，使用条件和环境差别大，各种准则不能相互取代，而是相 互补充的。不同构件，不同的使用情况，应当采用不同的准则。根据采用的设计准则 选择选取相应的设计方法。 现在广泛使用的抗疲劳设计方法有以下几种：名义应力法、局部应力法、损伤容 限法、概率疲劳设计。 ( 1 ) 名义应力法 以名义应力为基本设计参数的抗疲劳设计法称为名义应力法。其设计思路是：从 材料的s 一曲线出发，再考虑各种影响因素的影响，得出零构件的s 一曲线，并根 据零构件的s 一曲线进行抗疲劳设计。当使用s 一曲线的水平段即疲劳极限进行设 计时称为无限疲劳寿命设计。当使用s 一曲线的倾斜部分进行抗疲劳设计时称为名 义应力有限寿命设计。该方法常用于高周疲劳设计。 ( 2 ) 局部应力应变法 以应变集中处的局部应力、应变为基本设计参数的抗疲劳设计方法。它的设计思 路是：零部件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大应变处开始，并且在裂纹萌生以 前都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是裂纹产生和扩展的先决条件。因 此，决定零部件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。只要最大局部应力 应变相同，疲劳寿命就相同。该方法常用于低周疲劳设计。 ( 3 ) 损伤容限设计 这种抗疲劳设计方法是损伤安全设计准则的体现和改进。它假定零构件内存在有 初始裂纹，应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，以确保在使用 期内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而使有裂纹的零构件在其使用期内能够安全 使用。它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧度高的材料。 ( 4 ) 概率疲劳设计 上述各种疲劳设计方法都是根据应力和疲劳强度的平均值进行设计，但在实际使 用过程中，应力和疲劳强度的数据都有一定的分散性，故仅仅依照平均值进行设计是 不够安全的。为了使设计的机器零件既安全可靠又重量较轻，就必须使用概率疲劳设 计。这种设计方法是概率统计法和疲劳设计法相结合的产物。它考虑了载荷、材料疲 劳性能和其他疲劳设计数据的分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围内，因此其 设计精度比其他疲劳设计方法为高，也称为疲劳可靠性设计 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 疲劳强度影响因素的研究现状 材料的s 一曲线和疲劳极限，只能代表标准光滑试样的疲劳极限，而实际零件 的尺寸、形状和表面情况是各式各样的，与标准试样有很大差别。因此，在进行零件 的疲劳强度设计时必须考虑这些因素对疲劳强度的影响。影响机械零件疲劳强度的因 素有很多，有应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等，其中 以前三种最为重要【3 1 。 1 2 1 应力集中的影响 在零件的截面几何形状突然变化处，局部应力远远大于名义应力，这种现象称为 应力集中。在材料的弹性范围内，最大局部应力“与名义应力吒的比值k ，称为理 论应力集中系数，即 k 。里堕 ( 1 1 ) 。 吒 名义应力q 的定义有两种，一种定义为载荷除以毛面积，另一种定义为载荷除以 净面积，这两种定义在工程上都有应用，后者的应用较广。 理论应力集中系数的大小并不能作为局部应力使疲劳强度降低的标准。在应力集 中区的局部峰值应力常超过屈服点，使部分材料产生塑性变形，进入弹塑性状态。也 就是说，疲劳强度的降低，要用有效应力集中系数来估计。当载荷条件和绝对尺寸相 同时，在循环应力下的有效应力集中系数，等于光滑试样与有应力集中试样的疲劳极 限之比，即 巧惫 n 2 ) 式中以。为光滑试样的疲劳极限：( 正。) x 为有应力集中试样的疲劳极限。 有效应力集中系数k ，总是小于理论应力集中系数k 。为了在数量上估计k ，与k 之间的差别，引入了材料对应力集中的敏感度鼋，它们之间的关系为【4 l 口。k s - 1 ( 1 3 ) 留。西 ( 1 3 ) 或写成 j ，一1 + 留( k 一1 ) ( 1 4 ) 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 如一。则k 1 - 1 ，材料对应力集中不敏感：如q - l 贝t k ，一k ，即材料对应力集 中十分敏感，g 值一般在0 与1 之间。 求有效应力集中系数常用有两种方法：一种是直接用零部件在特定材料及形状下 做实验求得；另一种按照求解条件选取适当的经验公式，从而求得有效应力集中系数。 1 2 2 尺寸的影响 在疲劳试验机上所用的试样，直径通常为6 l o m m ，而一般零件的尺寸与试样尺 寸是不相同的。试验表明，当尺寸增大时，疲劳强度降低【5 1 ，由此引入尺寸系数s 。 尺寸系数的定义为当应力集中情况相同时，尺寸为d 的零件的疲劳极限与标准试 样的疲劳极限之比值，即 占：曼山( 1 5 ) o _ 1 式中( o r _ 。) d 是尺寸为d 的零件的疲劳极限；o r _ 。是标准直径试样的疲劳极限。 1 2 3 表面状态的影响 ( 1 ) 加工情况 一般标准试样表面都经过磨光，而实际使用中零件的表面加工方法则多种多样。 粗糙的表面加工，相当于存在很多缺口。机械零件在承受载荷时表层应力最高，再加 上表面的应力集中，则容易造成疲劳源，疲劳破坏也就较多地自表面开始。考虑表面 粗糙度使疲劳极限降低的影响，引入表面加工系数届，其定义为 a 。丛 ( 1 6 ) o r _ 1 式中( o r - 。) 矗为某种表面加工情况试样的疲劳极限；o r _ 。为磨光试样的疲劳极限。 ( 2 ) 腐蚀情况 腐蚀疲劳的s 一曲线没有水平部分。因此腐蚀疲劳极限是指在某一寿命下的值。 腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，用腐蚀系数以表示，即 岛。丛 ( 1 7 ) o r _ 1 式中( o r _ 。) 。为腐蚀环境中材料的疲劳极限；o r _ 。为空气中光滑试样的疲劳极限 ( 3 ) 表面强化 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于机械零件的疲劳裂纹常开始于表层，所以强化表层是提高零件疲劳强度的有 效方法。表面强化工艺可以分为三类：机械方法，如喷丸及滚压等；化学方法， 如渗碳及氮化等；热处理，如高频、中频及工频加热淬火、火焰加热淬火等。由此 引入了表面强化系数岛，即 岛。丛 ( 1 8 ) u 一1 式中( 以。x 为经强化工艺的试样的疲劳极限；吼。为未经强化工艺的试样的疲劳极 限。 上述的表面加工系数届、表面腐蚀系数反和表面强化系数色，总称为表面系数。 在疲劳强度计算中，应根据具体情况选取相应的卢值。例如，零件如只经过切削加工， 则卢一a ；如零件又经过强化，则卢= 色；如零件在腐蚀介质中工作，则户一皮，不 必将每个声值相乘。 综合影响系数：大量实验证明，应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力幅值 有影响，对平均应力没有明显影响。为此，可以将三个系数合并为一个综合影响系数 如，即 一嘉 ” p 在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数，或者材料的极限应力幅要除 以综合影响系数。 1 4 发展动态 应力集中对疲劳强度有显著影响，理论应力集中系数已不足以描述其影响，研究 者们提出了一个缺口对疲劳强度影响的系数渡劳缺口系数。n e u b e r 应力应变分析 以有效截面的循环应力、应力集中系数和疲劳缺口系数为基础，它将光滑试样行为与 缺口根部材料行为联系起来。但这种方法不能覆盖所有形式与尺寸的缺口，以及平均 应力和复杂的加载条件，未考虑裂纹萌生对失效的影响，因而不能令人满意。断裂力 学模型假设裂纹产生于缺口根部，试件内存在一定长度的固有裂纹，考虑塑性变形和 初始裂纹长度。现今很多高校和研究院所都对应力集中系数、疲劳缺口系数进行研究。 西南交通大学应用力学与工程系学者用超声疲劳试验方法测定了4 0 c r 钢光滑试 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 样和缺i ：1 试样在1 0 5 - - - 1 0 1 0 范围内的疲劳寿命曲线，研究了缺口应力集中对疲劳性能的 影响。结果表明【6 l ：两种试样的s 一曲线呈现连续下降特征；缺口应力集中对材料疲 劳性能的影响表现出阶段性特征，存在一个临界疲劳断裂循环数札，当疲劳断裂周次 ， n c ，k ，随，的增加而减小。 在1 0 7 以上超高周疲劳范围内，k ，和疲劳缺口敏感系数q 与，具有线性关系。 兰州铁道学院通过研究机车车辆零部件的常用钢种4 2 c r m o 在不同应力比( r = 0 1 ，0 3 ) 下三点弯曲缺口试件的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展规律【。7 1 ，确定其缺口根部 最大应力范围和疲劳裂纹萌生周次的关系，疲劳裂纹萌生门槛值及短裂纹扩展规律， 提出了一种估算缺口试件疲劳寿命的方法。 苏州职业大学的汪浩研究3 0 c r m n s i a 钢弯曲疲劳时缺口曲率半径p 对疲劳萌生 寿命的影响i 剐，试验采用三点弯曲非标准试样，对试样进行调质和低温回火两种热 处理状态，测出四个不同曲率半径试样的疲劳萌生寿命，较准确地求出了与p 的近 似关系式。 导致大、小试件疲劳强度有差别的主要原因有两个方面：对处于均匀应力场的 试件，大尺寸试件比小尺寸试件含有更多的疲劳损伤源。对处于非均匀应力场中的 试件，大尺寸试件疲劳损伤区中的应力比小尺寸试件更加严重。 在尺寸效应的研究方面，北京航空材料研究院选用7 0 7 5 和1 7 3 两种铝合金材料， 将其分别加工成单边缺口试样和光滑平板试样进行恒幅载荷的疲劳试验，研究了试样 测试部分尺寸大小与萌生裂纹的初始缺陷尺寸分布的关系。结果表吲9 l ：利用小尺寸 试样试验得到的初始缺陷尺寸不能直接用于大尺寸试样的疲劳全寿命预测和耐久性分 析，但可以推导出相同条件下大尺寸试样的初始缺陷尺寸分布。该分析模型能够反映 出开裂面积对试样初始缺陷尺寸分布的影响，与实际情况符合较好。 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室研究了经热轧退火后的细晶粒 3 0 4 奥氏体不锈铜薄膜悬臂梁试样的疲劳行为，发现材料在循环载荷下发生循环应变 局部化，裂纹萌生在类似于“侵入的滑移带处【1 0 1 。利用聚焦离子束显徽镜对不同厚 度薄膜表面的疲劳挤出进行观察，并对疲劳挤出面积与晶粒面积比进行定量测量。结 果表吲n l ：随着材料尺度的减小，位错结构从块体材料中的典型胞、墙结构逐渐转变 成为单根位错的组态，导致材料循环塑性应变的累计逐渐减小，疲劳强度升高。 对表面状态的研究方面，南京航空航天大学纳米科学研究所研究了磨削表面、不 同手工抛光的表面处理方式对1 c r l l n i 2 w 2 m o v 不锈钢疲劳性能的影响。结果表明【1 2 】： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 各表征参数包括微缺陷温度、微缺陷的谷底半径和单峰平均间距对微应力集中都有影 响，不同表面微观形貌所引起疲劳性能的变化与其表征参数的变化是一致的，利用表 面形貌参数可以定量分析不同表面所导致的疲劳性能的改变。 北京航空材料研究院采用粗磨削、精磨削、振动光饰、振动强化和喷丸强化等不 同的表面加工方式获得3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的不同表面状态，研究在不同表面加工条件 下的表面粗糙度、表面残余应力对其疲劳性能的影响。结果表明【1 3 】：3 0 c r m n s i n i 2 a 钢 的疲劳性能对表面状态敏感，其中喷丸强化可使疲劳寿命在相同的应力( 9 0 0 m p a ) 条 件下由粗磨削的3 1 6 1 0 3 循环周次提高到3 3 1 x 1 0 5 循环周次。 上海大学材料学院学者研究汽车用齿轮钢表面状态对其弯曲疲劳性能的影响，试 验选用s c m 4 2 0 h 材料，制成试验用齿轮，对渗碳后的齿轮进行喷丸、化学抛光和电 解抛光三种不同的表面处理，进行恒应力幅疲劳试验，测定其弯曲疲劳强度。结果表 明1 1 4 j ：在渗碳齿轮中，其有效硬化层深度对弯曲疲劳强度的影响不明显，残余应力对 弯曲疲劳强度的影响是客观存在的。 1 5 课题研究的主要内容 从应力集中、尺寸效应、表面状态影响疲劳强度的作用机制着手，首先对缺口周 围的弹性应力进行理论分析，从弹性力学理论角度，对板中圆孔周围的弹性应力场做 平面应力分析。应用a n s y s 有限元软件，分析开小圆孔的方平板受单向拉伸时孔边 的应力情况并与二维的理论计算结果对比。在总结和评论前人提出的k ，与k 关系式 后发现现有的二者关系式均为线性关系，在对大量疲劳试验数据的分析后，本文提出 疲劳缺口系数k ，与理论应力集中系数k 之间满足二次多项式关系，并与材料的热处 理方式有关，选取相应的实验数据对其做以验证。对采用不同试验方法过程中，尺寸 对疲劳强度的影响机制作详细分析。分析表面微观形貌与微应力集中的关系，在考虑 表面加工对疲劳缺口的影响后，对敏感度法求疲劳缺口系数的公式进行修正，从而得 出更合理的抗疲劳设计中综合影响系数的计算方法。应用改进的b p 神经网络分析应 力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度的影响关系，利用文献【4 5 】【9 7 】【9 8 】中的试验数据， 建立一个双隐含层的b p 神经网络模型，在m a t l a b 程序中实现该神经网络的训练和 验证过程。通过该模型可以计算任意零件的疲劳强度综合影响系数，进而得到零件的 疲劳强度。 东北大学硕士学位论文 第2 章应力集中 第2 章应力集中 在实际机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角、 切口等截面变化。为方便起见，这些截面变化统称为缺口。在缺口处不可避免地要产 生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当零件承受静载荷时，由于 常用的结构材料都是延性材料，有一定的塑性，在破坏以前都会有一个宏观塑性变形 过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。所以，缺口对零件的静强度一般 没有多大影响。而对疲劳破坏则情形完全不同，这时截面上的名义应力尚未达到材料 的屈服极限，破坏以前不产生明显的宏观塑性变形，没有像静载破坏前那样的载荷重 新分配过程。这样便使得应力集中处的疲劳强度比光滑部分为低，常常成为零件的薄 弱环节。因此，抗疲劳设计时必须考虑缺口的影响。 2 1 缺口周围的弹性应力分布 缺口产生的影响，最显而易见的是应力集中，如图2 1 所示。由于缺口部分不能 承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大， 离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。 图2 1 缺口试样砸力线分布和应力集中现象 f i g 2 1s t r e s sl i n ed i s t r i b u t i o no fn o t c hs a m p l ea n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n 缺口周围的弹性应力分布取决于缺口的形状，其主要原因是缺口根部附近的应力 高于其他位置处的应力。如果已知单轴纵向加载试样缺口根部引起的最大弹性应力， 那么缺口根部最大纵弹性应力与试样外加名义应力吒之比，即吼( 一般用k 1 1 裟* 三三三三三；瑚硝三三 东北大学硕士学位论文第2 章应力集中 表示) 称为几何弹性应力集中系数，或简称理论应力集中系数。理论应力集中系数可 用以描述缺口根部的应力状态，但因其没能给出缺口周围应力分布的情况，所以理论 应力集中系数的应用受到限制。 2 1 1 弹性力学理论分析 缺口附近高应力的局部性质可用薄矩形板中圆孔周围的弹性应力集中分布表示， 板的边界距孔的中心为无穷远，如图2 2 所示的单位厚度矩形薄板。在离边界较远处 有半径为a 的小圆孔，x 方向受均匀拉力q ，y 方向受均匀压力q ，即已知 吒z 留，q ；一口，i fa 0 ( 2 1 ) 哩q 图2 2 溥板上圆孔周围的应力