强度理论-应力寿命法2.ppt

强度理论与方法 2 高周疲劳 高周疲劳 S N曲线疲劳极限影响疲劳强度的因素永久疲劳寿命设计方法 1 S N曲线 循环载荷引起失效 例如车轴 Wohler开始合金旋转弯曲测试并提出S N曲线S N曲线 经验设计方法 应力寿命法 循环加载下典型的应力历史描述如下 影响因素 频率 v或f单位Hz 如3000rpm的旋转机械 f 50Hz 通常如果存在环境效应 如潮湿或升温则影响疲劳 波形 应力历史是正弦波 方波或者别的波形吗 同频率一样 通常如果有环境效应则影响疲劳 R 1 Sa Smax 条件下得到的S N曲线 基本S N曲线 1 一般形状及特性值 用一组标准试件 在R 1下 施加不同的Sa 进行疲劳试验 可得到S N曲线 S N曲线上对应于寿命N的应力 称为寿命为N循环的疲劳强度 疲劳强度 fatiguestrength SN 无穷大 一般被定义为 钢材 107次循环 焊接件 2 106次循环 有色金属 108次循环 疲劳极限 endurancelimit Sf 寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf 特别地 对称循环下的疲劳极限Sf R 1 简记为S 1 满足S Sf的设计 即无限寿命设计 2 S N曲线的数学表达 1 幂函数式Sm N C m与C是与材料 应力比 加载方式等有关的参数 二边取对数 有 lgS A BlgNS N间有对数线性关系 参数A LgC m B 1 m 考虑疲劳极限Sf 且当S趋近于Sf时 N 2 指数式 ems N C 二边取对数后成为 S A BlgN 半对数线性关系 最常用的是幂函数式 高周应力疲劳 适合于N 104 107 3 三参数式 S Sf m N C 3 S N曲线的近似估计 斜线OA 水平线ABR 1 旋转弯曲时有 Sf bending 0 5Su Su1400MPa 1 疲劳极限Sf与极限强度Su之关系 轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为 Sf tension 0 7Sf benting 0 35Su实验在 0 3 0 45 Su之间 高强脆性材料 极限强度Su取为 b 延性材料 Su取为 ys 扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为 Sf torsion 0 577Sf benting 0 29Su实验在 0 25 0 3 Su之间 注意 不同载荷形式下的Sf和S N曲线是不同的 故由S N曲线有 0 9Su m 103 kSu m 106 C参数为 m 3 lg 0 9 k C 0 9Su m 103 假定1 寿命N 103时 有 S103 0 9Su 高周疲劳 N 103 已知Sf和Su S N曲线用Sm N C表达 假定2 寿命N 106时 S106 Sf kSu 如弯曲时 k 0 5 裂纹萌生寿命 破坏 定义为 1 标准小尺寸试件断裂 2 出现可见小裂纹 或可测的应变降 S N曲线测试方法 试样 取样 试样尺寸 试样表面状态加载 试验设备 加载方式 加载频率 试验环境 温度 湿度等单点法测试 7 8个试样成组法测试 4 5组 每组4 5个试样数据处理方法 按给定应力下的寿命分布规律进行 疲劳极限测试方法 疲劳寿命很大时的疲劳强度定义为疲劳极限钢和钛合金有疲劳极限 有色金属无获得方法单点法测试 7 8个试样升降法 4 5极载荷 需15左右试样数据处理方法 按给定寿命下的应力分布规律进行 R Sm 且有 Sm 1 R Sa 1 R R的影响 Sm的影响 Sm 0 对疲劳有不利的影响 Sm 0 压缩平均应力存在 对疲劳是有利的 喷丸 挤压和预应变 残余压应力 提高寿命 平均应力的影响 1 一般趋势 Sa不变 R orSm N N不变 R orSm SN 2 Sa Sm关系 如图 在等寿命线上 Sm Sa Sm Su Haigh图 无量纲形式 N 107 当Sm 0时 Sa S 1 当Sa 0时 Sm Su 对于其他给定的N 只需将S 1换成Sa R 1 即可 利用上述关系 已知Su和基本S N曲线 即可估计不同Sm下的Sa或SN Gerber Sa S 1 2 Sm Su 2 1Goodman Sa S 1 Sm Su 1 解 1 工作循环应力幅和平均应力 Sa Smax Smin 2 360MPaSm Smax Smin 2 440MPa 例2 1 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 试估算其疲劳寿命 2 估计对称循环下的基本S N曲线 Sf tension 0 35Su 420MPa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 m 103 1 536 1025 4 估计构件寿命对称循环 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 1 536 1025 568 47 314 1 09 105 次 3 循环应力水平等寿命转换利用基本S N曲线估计疲劳寿命 需将实际工作循环应力水平 等寿命地转换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 4MPa 影响疲劳性能的若干因素 1 载荷形式的影响 Sf 弯 Sf 拉 拉压循环高应力区体积大 存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大 机会多 所以 同样应力水平作用下 拉压循环载荷时寿命比弯曲短 或者说 同样寿命下 拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低 同样可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 高应力区域体积越大 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越大 2 尺寸效应 尺寸效应可以用一个修正因子Csize表达为 Csize 1 189d 0 0978mm d 250mm当直径d 8mm时 Csize 1 尺寸修正后的疲劳极限为 Sf CsizeSf 尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大 3 表面光洁度的影响 由疲劳破坏机理知 表面粗糙 局部应力集中增大 裂纹萌生寿命缩短 材料强度越高 光洁度的影响越大 应力水平越低 寿命越长 光洁度的影响越大 加工时的划痕 碰伤 尤其在孔 台阶等高应力区 可能是潜在的裂纹源 应当注意防止碰划 材料强度越高 循环应力水平越低 寿命越长 效果越好 在缺口应力集中处采用 效果更好 4 表面处理的影响 残余拉应力则有害 焊接 气割 磨削等会引入残余拉应力 使疲劳强度降低或寿命减小 疲劳裂纹常起源于表面 在表面引入压缩残余应力 可提高疲劳寿命 表面喷丸 销 轴 螺栓冷挤压 干涉配合等 都可在表面引入残余压应力 提高寿命 温度 载荷 使用时间等因素可能引起应力松弛 例如 钢在350 C以上 铝在150 C以上 就可能出现应力松弛 影响疲劳寿命 永久疲劳寿命设计 工作应力低于疲劳极限 无疲劳损伤 注意 只有普通碳钢和低合金钢才有上述特性 且这一特性可能由于高温 腐蚀环境和周期超载而消失 疲劳数据的分散性 实验 7075 T6铝R 1 恒幅 Sinclair和Dolan 1953 应力水平越低 寿命越长 分散性越大 207MPa下57件 寿命 2 106 108次 240MPa下29件 寿命 7 105 4 106次 275MPa下34件 寿命 1 105 8 105次 310MPa下29件 寿命 4 104 1 105次 430MPa下25件 寿命 1 5 104 2 104次 分散性 共174件 由于疲劳过程中固有的随机性 结构和构件的寿命不能用传统的确定性方法预测 在工程设计和系统分析中 准确的疲劳寿命预测只有采用以概率为基础的方法 材质不均匀 加工质量 加载误差 试验环境等 原因 裂纹 缺口件的疲劳破坏局限在裂纹或缺口高应力