交变载荷下材料的疲劳破坏

1、交变载荷下材料的交变载荷下材料的 疲劳破坏疲劳破坏 在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替 变化的应力，这种应力称为变化的应力，这种应力称为交变应力交变应力。 构件产生交变应力的原因构件产生交变应力的原因 有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的 变化；有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在变化；有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在 旋转。旋转。 火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分 析应力随时间作交替变化的过程。析应力随时间作交替变化

2、的过程。 10-1 交变应力的概念交变应力的概念 t I Mr I My A sin 车轴每旋转一周，车轴每旋转一周，A点的应力就重复变化一次，称为点的应力就重复变化一次，称为一一 个应力循环个应力循环，随着车轴的不停地旋转，应力作周期性，随着车轴的不停地旋转，应力作周期性 的变化。的变化。 单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性 疲劳破坏疲劳破坏在在交变应力作交变应力作 用下构件发生的破坏用下构件发生的破坏 据统计，在机械零件失据统计，在机械零件失 效中有效中有80%以上属于疲劳以上属于疲劳 破坏。破坏。 疲劳疲劳破坏发生的断面称为疲劳断口，破坏

3、发生的断面称为疲劳断口， 是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的 特征区域。特征区域。 疲劳疲劳材料对材料对交变应力抵交变应力抵 抗力下降的现象。抗力下降的现象。 疲劳破坏特点疲劳破坏特点 交变应力引起的疲劳失效交变应力引起的疲劳失效 与静应力引起的强度失效有本与静应力引起的强度失效有本 质的区别：质的区别： 1.疲劳破坏是构件在疲劳破坏是构件在工作应工作应 力低于强度极限力低于强度极限，甚至低于屈，甚至低于屈 服极限的情况下突然发生的断服极限的情况下突然发生的断 裂，往往具有突发性。裂，往往具有突发性。 2.塑性材料构件也塑性材料构件也呈脆性断裂呈脆性断裂，即使

4、塑性，即使塑性 性能很好的材料在断裂前也无明显的塑性变性能很好的材料在断裂前也无明显的塑性变 形。形。 3. 构件的疲劳破坏断口上构件的疲劳破坏断口上 有两个明显区域：有两个明显区域：光滑区与粗光滑区与粗 糙区糙区，其中粗糙区又称为瞬断，其中粗糙区又称为瞬断 区，断口呈颗粒状。区，断口呈颗粒状。 疲劳破坏有裂纹的发生、扩疲劳破坏有裂纹的发生、扩 展和断裂三个部分。展和断裂三个部分。 裂纹产生的位置称为裂纹产生的位置称为疲劳源疲劳源 或或裂纹源。裂纹源。 裂纹扩展但未断裂的区域称裂纹扩展但未断裂的区域称 为为扩展区扩展区，通常对应，通常对应光滑区。光滑区。 裂纹断裂的区域称为裂纹断裂的区域称为断

5、裂区断裂区 ，通常对应，通常对应粗糙区粗糙区。 疲劳破坏的过程：疲劳破坏的过程： 一般认为是：当交变应力大一般认为是：当交变应力大 小超过一定限度，在构件中应小超过一定限度，在构件中应 力为最大处或材料有缺陷处，力为最大处或材料有缺陷处， 材料经过应力多次交替变化后，材料经过应力多次交替变化后， 首先产生细微首先产生细微裂纹源裂纹源。 这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐 步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地 变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研 磨，因而形成断面的磨，因而形成断面的

6、光滑区域光滑区域。 通常通常光滑区域光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条上还有疏密不等的贝壳状条 纹。称为纹。称为疲劳裂纹前沿线疲劳裂纹前沿线。 随着裂纹的不断扩展，构随着裂纹的不断扩展，构 件截面的有效面积不断减小，件截面的有效面积不断减小， 最后当削弱到不能抵抗破坏时，最后当削弱到不能抵抗破坏时， 就突然断裂，断面上的粗糙颗就突然断裂，断面上的粗糙颗 粒就是由于最后的突然断裂而粒就是由于最后的突然断裂而 形成的。形成的。 疲劳破坏原因：疲劳破坏原因： 交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的 主要原因。主要原因。 疲劳破坏过程疲劳破坏过程 疲劳裂纹形成疲

7、劳裂纹形成 （萌生、成核）（萌生、成核） 阶段阶段 裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段 微观裂纹扩微观裂纹扩 展阶段展阶段 宏观裂纹扩宏观裂纹扩 展阶段展阶段 1. 脆性断裂阶段脆性断裂阶段 10-2 交变应力的要素交变应力的要素 循环特征循环特征（应力比应力比或或 循环特性）循环特性） max min r 应力循环周期应力循环周期T一个周期变化所需要的时间一个周期变化所需要的时间 最大应力最大应力max 、最小应力最小应力min )( 2 1 minmaxm )( 2 1 minmaxa 平均应力平均应力m和和应力幅应力幅 a 交变应力分类交变应力分类 对称循环交变应力对称循环交变应力 r=-1 非对

8、称循环交变应非对称循环交变应 力力r-1 脉动循环交变应脉动循环交变应 力力r=0 1. 静应力（静载荷）静应力（静载荷） r=1 max(任何交变应力）任何交变应力） =m（静应力）（静应力）+a（对称循环应力）（对称循环应力） 10-3 材料的疲劳极限材料的疲劳极限 在交变载荷作用下工作的构件存在一个在交变载荷作用下工作的构件存在一个 能继续工作多长时间的问题，称为能继续工作多长时间的问题，称为疲劳寿命疲劳寿命。 疲劳极限或持久极限疲劳极限或持久极限 试件可经无限次应力循环而不发生疲劳试件可经无限次应力循环而不发生疲劳 破坏，交变应力最大值破坏，交变应力最大值 研究研究疲劳寿命疲劳寿命的主

9、要方法有：的主要方法有： 应力应力-寿命法。寿命法。S-N法。法。 应变应变-寿命法。寿命法。 -N法。法。 断裂力学法。断裂力学法。 S-N法是主要方法，要求零件有无限寿法是主要方法，要求零件有无限寿 命或很长寿命。适用于低应力幅。命或很长寿命。适用于低应力幅。 疲劳极限测定方法：疲劳极限测定方法： 疲劳寿命疲劳寿命N 对称循环条件下，疲劳极限值记为对称循环条件下，疲劳极限值记为-1 应力应力疲劳寿命曲线含义：疲劳寿命曲线含义： max -1,试件经历有试件经历有 限次循环就破坏限次循环就破坏 max -1,试件经试件经 历无限次循环而不历无限次循环而不 发生破坏发生破坏 max =-1,r

10、=-1时材时材 料的疲劳极限料的疲劳极限 一般地，一般地，N0=107 “条件条件”疲劳极限疲劳极限 对于有色金属曲线无明显趋近于水平直对于有色金属曲线无明显趋近于水平直 线，这时可以规定一个循环次数线，这时可以规定一个循环次数N0=107 实践证明：实践证明：疲劳极限疲劳极限-1与材料的抗拉强度有与材料的抗拉强度有 一定关系。一定关系。如：如： 对于钢，对于钢， -1约为约为0.5 b 。 对于灰铸铁，对于灰铸铁， -1约为约为0.42 b 。 对于球墨铸铁，对于球墨铸铁， -1约为约为0.48 b 。 对于铝合金，对于铝合金， -1约为约为0.3 0.35 b 。 测定疲劳破坏应力的试验称

11、为耐久性试验测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验 旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机 W M max min max 耐久性试验包括：耐久性试验包括： 拉压。拉压。 弯曲弯曲 扭转扭转 实践证明：弯曲实践证明：弯曲疲劳极限（疲劳极限（-1）b、扭转扭转 疲劳极限疲劳极限 -1以及拉压以及拉压疲劳极限疲劳极限-1之间有如下之间有如下 近似线性近似线性关系。关系。 对于钢，对于钢， （-1）b=0.85-1。 -1 =0.55-1。 对铸铁，对铸铁， （-1）b=0.65-1。 -1 =0.90-1。 同一种基本变形形式下的持久极限以对称同一种基本变形形式下的持久极限以对称 循环是的持久极限为最

12、低。循环是的持久极限为最低。 疲劳图线疲劳图线 所以，以所以，以对对 称循环交变称循环交变 应力下的持应力下的持 久极限久极限作为作为 材料在交变材料在交变 应力下的主应力下的主 要强度指标。要强度指标。 10-4 构件的疲劳极限构件的疲劳极限 影响构件疲劳极限的因素影响构件疲劳极限的因素 应力集中应力集中 构件尺寸构件尺寸 构件表面加工质量构件表面加工质量 在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构 件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响 分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限，分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限

13、， 得到构件的疲劳极限。得到构件的疲劳极限。 1、构件外形的影响、构件外形的影响 由于结构与工艺的要求，工程构件的形状由于结构与工艺的要求，工程构件的形状 与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键 槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将 会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易 形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材 料的疲劳极限料的疲劳极限 。 1 k 1 极限有应力集中试件的疲劳同尺寸 光滑试件的疲劳极限 有效应力集中系数 、

14、有效应力集中系数有效应力集中系数 拉压时拉压时 扭转时扭转时 弯曲时弯曲时 2、构件尺寸的影响、构件尺寸的影响 试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低 1 1 1 疲劳极限标准小尺寸光滑试件的 极限大尺寸光滑试件的疲劳 尺寸影响系数 3、构件表面加工质量的影响、构件表面加工质量的影响 1 限表面磨光试件的疲劳极 劳极限不同表面质量试件的疲 表面质量影响系数 不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极限产生不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极限产生 影响。一般说来，构件表面质量较好时，其疲劳极限影响。一般说来，构件表面质量较好时，其疲劳极限 较高；反之，疲劳极限较低。

15、较高；反之，疲劳极限较低。 除上述三种影响因素之外，除上述三种影响因素之外， 还有一些因素对构件的疲劳极限还有一些因素对构件的疲劳极限 也有影响，如腐蚀、高温等。这也有影响，如腐蚀、高温等。这 些因素的影响，也可引用一些修些因素的影响，也可引用一些修 正系数予以考虑，其数值可以由正系数予以考虑，其数值可以由 设计手册中查到设计手册中查到 构件的疲劳极限构件的疲劳极限 对于对称循环，若材料的疲劳极限为对于对称循环，若材料的疲劳极限为 1 则构件的疲劳极限则构件的疲劳极限 0 1 上式中上式中K（ K ）是综合影响系数。是综合影响系数。在综合影响系在综合影响系 数中考虑的因素有构件形状，尺寸及表面

16、质量等数中考虑的因素有构件形状，尺寸及表面质量等 k K kK 110 1 10-5 对称循环疲劳强度设计对称循环疲劳强度设计 n kK n max 1 max 1 max 0 1 疲劳强度条件也可以用安全系数表示疲劳强度条件也可以用安全系数表示 n kK n max 1 max 1 max 0 1 构件疲劳强度计算的三类问题构件疲劳强度计算的三类问题 疲劳强度校核，疲劳强度校核， 截面设计截面设计 1. 许用载荷计算许用载荷计算 10-6 、 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施 为了降低构件的应力集中，构件的形状设计中要尽为了降低构件的应力集中，构件的形状设计中要尽 量避免出现带有

17、尖角的孔和槽。在截面尺寸的过渡量避免出现带有尖角的孔和槽。在截面尺寸的过渡 处（如阶梯轴的轴肩处），要采用半径尽可能大的处（如阶梯轴的轴肩处），要采用半径尽可能大的 过渡圆角。如果由于结构上的原因，无法加大过渡过渡圆角。如果由于结构上的原因，无法加大过渡 圆角半径时，须在直径较大的轴段上加开减荷槽或圆角半径时，须在直径较大的轴段上加开减荷槽或 退刀槽。在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常退刀槽。在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常 会产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开减荷会产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开减荷 槽，并将配合轴径适当加粗。槽，并将配合轴径适当加粗。 一、降低应力集中一、降低应力集中 利用间隔环加大过渡圆弧利用间隔环加大过渡圆弧 卸荷槽，退刀槽卸荷槽，退刀槽 力流线力流线 1.降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求较高的降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求较高的 构件，应设法降低其表面的粗糙度，使具有较高的构件，应设法降低其表面的粗糙度，使具有较高的 光洁度，对高强度钢尤其如此，此外在装配及使用光洁度，对高强度钢尤其如此，此外在装配及使用 过程中，也应严防对构件表面的机械损伤或化学损过程中，也应严防对构件表面的机械损