疲劳强度模型和SN曲线.ppt

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 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 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 107次循环 焊接件 2 106 2 S N曲线的数学表达式NSm 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 两个参数 m A 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 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 对于船海工程 一般构件 主要构件 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 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 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 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 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 平均应力Sm 0时的S N曲线是基本S N曲线 当Sm 0 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 Sm 0 即压缩平均应力作用时 S N曲线上移 表示同样应力幅作用下的寿命增大 或者说在同样寿命下的疲劳强度提高 压缩平均应力对疲劳的影响是有利的 在给定寿命N下 研究循环应力幅Sa与平均应力Sm之关系 可得到如图结果 当寿命给定时 平均应力Sm越大 相应的应力幅Sa就越小 但无论如何 平均应力Sm都不可能大于材料的极限强度Su Su为高强脆性材料的极限抗拉强度或延性材料的屈服强度 图中给出了金属材料N 107时的Sa Sm关系 分别用疲劳极限S 1和Su进行归一化 因此 等寿命条件下的Sa Sm关系可以表达为 Sa S 1 Sm Su 2 1这是图中的抛物线 称为Gerber曲线 数据点基本上在此抛物线附近 另一表达式 是图中的直线 即 Sa S 1 Sm Su 1上式称为Goodman直线 所有的试验点基本都在这一直线的上方 直线形式简单 且在给定寿命下 由此作出的Sa Sm关系估计是偏于保守 故在工程实际中常用 例子构件受拉压循环应力作用 Smax 800MPa Smin 80MPa 若已知材料的极限强度为Su 1200MPa 基本S N曲线为S3N 1 5 1010 试估算其疲劳寿命 解 确定循环应力幅和平均应力 Sa Smax Smin 2 360MPaSm Smax Smin 2 440MPa循环应力水平等寿命转换 用Goodman方程有 Sa S 1 Sm Su 1代入数据 得S 1 568 4MPa估算寿命 N C S3 1 5 1015 568 43 8 1 106 4 影响疲劳性能的若干因素1 载荷形式材料的疲劳极限随载荷形式的不同有下述变化趋势 S 弯 S 拉 S 扭 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 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 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 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 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 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 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 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 c 耐腐蚀钢材 抗腐蚀疲劳的