材料的疲劳与断裂学习教案

1、会计学1材料材料(cilio)的疲劳与断裂的疲劳与断裂第一页，共35页。第十四章第十四章 材料材料(cilio)(cilio)的疲劳与断裂的疲劳与断裂14.1 概概 述述一、疲劳的概念一、疲劳的概念二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例第1页/共34页第二页，共35页。14.3 14.3 材料材料(cilio)(cilio)的疲劳破坏特征及机理的疲劳破坏特征及机理一、疲劳一、疲劳(plo)的概念的概念疲劳疲劳构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后形成的裂纹或发生的形成的裂纹或发生的断裂断裂过程过程第2页/共34页第三页，共35页。14.3 14.3 材料

2、的疲劳破坏材料的疲劳破坏(phui)(phui)特征及机理特征及机理40人死亡人死亡(swng)；14人受伤；人受伤；直接经济损失直接经济损失631万元。万元。 1999年年1月月4日，我国重庆市綦日，我国重庆市綦(qi)江县彩虹桥发生垮塌江县彩虹桥发生垮塌，造成：，造成：二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第3页/共34页第四页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏材料的疲劳破坏(phui)(phui)特征及机理特征及机理二、疲劳二、疲劳(plo)破坏的实例破坏的实例第4页/共34页第五页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)

3、及机理及机理二、疲劳破坏二、疲劳破坏(phui)的实例的实例第5页/共34页第六页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳材料的疲劳(plo)(plo)破坏特征及机理破坏特征及机理二、疲劳破坏二、疲劳破坏(phui)的实例的实例第6页/共34页第七页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏材料的疲劳破坏(phui)(phui)特征及机理特征及机理二、疲劳二、疲劳(plo)破坏的实例破坏的实例第7页/共34页第八页，共35页。第十四章第十四章 材料的疲劳材料的疲劳(plo)(plo)与断裂与断裂14.3 材料的疲劳材料的疲劳(plo)破坏特征及机理破坏特征及机理一、疲劳破坏的机理一、疲劳

4、破坏的机理二、交变应力的种类二、交变应力的种类第8页/共34页第九页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理轮轴表面轮轴表面(biomin)A点的正点的正应力应力式中式中称为称为应力幅应力幅FFAIyMA tdIM sin2 t sina A3241 d( (t=0) )t a1342 aOtIMd2a 交变应力交变应力一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力第9页/共34页第十页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳材料的疲劳(plo)(plo)破坏特征及机理破坏特征及机理疲劳

5、疲劳(plo)失效失效 交变应力交变应力引起的破坏与引起的破坏与静应力静应力引起的破坏引起的破坏截然不同截然不同疲疲 劳劳实践表明：实践表明：一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理在交变应力作用下发生的在交变应力作用下发生的突然断裂突然断裂现象现象第10页/共34页第十一页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理疲劳疲劳(plo)失效的特点失效的特点： 2.即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性 变形，呈变形，呈脆性断裂破坏脆性断裂破坏； 1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生构

6、件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然突然 断裂断裂； 3.断口明显地分为断口明显地分为光滑区光滑区和和粗糙区粗糙区。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第11页/共34页第十二页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理疲劳疲劳(plo)失效过程：失效过程： 微观裂纹微观裂纹(称为称为疲劳源疲劳源或或裂纹源裂纹源)； 1.在在足够大足够大的交变应力作用下，构件内的的交变应力作用下，构件内的最大应力处最大应力处 或或缺陷处缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，产生，沿最大切应力作用面形成滑移带，产生裂裂纹纹源源光光滑滑区区粗粗

7、糙糙区区.裂裂纹纹尖尖端端裂裂纹纹 2.在微裂纹的尖端产生在微裂纹的尖端产生应力应力 奇异奇异(应力集中应力集中)，在交变，在交变 应力的作用下，微裂纹扩应力的作用下，微裂纹扩 展，形成展，形成宏观裂纹宏观裂纹； 3.随着交变应力继续作用，随着交变应力继续作用， 宏观裂纹扩展，最终宏观裂纹扩展，最终构件构件 断裂断裂。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第12页/共34页第十三页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理疲劳失效疲劳失效(sh xio)的实质：的实质： 疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不疲劳失效是很危险

8、的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在易发现，在名义应力名义应力低于抗拉强度低于抗拉强度(甚至低于屈服应力甚至低于屈服应力)的情的情况下，会况下，会突然发生断裂突然发生断裂。 材料中裂纹的形成和扩展的结果材料中裂纹的形成和扩展的结果 已有资料表明：承受交变应力构件的失效已有资料表明：承受交变应力构件的失效(如飞机如飞机、火车和机器、火车和机器)绝大部分是疲劳失效。绝大部分是疲劳失效。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理第13页/共34页第十四页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏材料的疲劳破坏(phui)(phui)特征及机理特征及机理 强迫振动的梁，其任一点的应力随时间强迫振动的梁

9、，其任一点的应力随时间(shjin)(shjin)周周期变化期变化 j梁在静平衡位置时的应力梁在静平衡位置时的应力 max梁在最大位移时的应力梁在最大位移时的应力tP F静平衡位置静平衡位置最大位移位置最大位移位置最小位移位置最小位移位置 max minOt一一个个周周期期 jm a a min 梁在最小位移时的应力梁在最小位移时的应力四、交变应力四、交变应力的种类的种类第14页/共34页第十五页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理一个应力一个应力(yngl)(yngl)循环循环 循环次数循环次数 周期周期四、交变应力四、

10、交变应力的种类的种类tP F静平衡位置静平衡位置最大位移位置最大位移位置最小位移位置最小位移位置 max minOt一一个个周周期期 jm a a 强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化重复变化一次的过程重复变化一次的过程应力重复变化的次数应力重复变化的次数完成一个应力循环所需要的时间完成一个应力循环所需要的时间第15页/共34页第十六页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理交变交变(jio bin)应力的循环特征应力的循环特征(应力比应力比)：应力循环中的应力循环中的平均应力平

11、均应力：应力循环中的应力循环中的应力幅应力幅：maxmin r2minmaxm 2minmaxa 四、交变应力四、交变应力的种类的种类 max minOt一一个个周周期期 jm a a第16页/共34页第十七页，共35页。14.3 14.3 材料的疲劳破坏特征材料的疲劳破坏特征(tzhng)(tzhng)及机理及机理 2.非对称循环(xnhun)即：即： 1.对称循环对称循环 max minOtminmax 0m maxa 1 rammax ammin max minOt m a a非对称循环非对称循环 = = 平均应力平均应力 + + 对称循环对称循环四、交变应力四、交变应力的种类的种类应力

12、循环种类：应力循环种类：第17页/共34页第十八页，共35页。14.3 14.3 材料材料(cilio)(cilio)的疲劳破坏特征及机理的疲劳破坏特征及机理应力应力(yngl)(yngl)循环种类：循环种类：或或 4.静应力静应力交变应力的特例交变应力的特例 3.脉冲循环脉冲循环0min 0max r max mOt a a2maxma min mOt a a2minma mOtmminmax 1 r0a 脉冲循环和静应力为非对称循环脉冲循环和静应力为非对称循环0 r四、交变应力四、交变应力的种类的种类第18页/共34页第十九页，共35页。第十四章第十四章 材料材料(cilio)(cilio

13、)的疲劳与断裂的疲劳与断裂14.4 S-N曲线曲线(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定一、疲劳的强度指标一、疲劳的强度指标二、疲劳极限的测定方法二、疲劳极限的测定方法第19页/共34页第二十页，共35页。14.4 S-N14.4 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定 在交变应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力在交变应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力时就可能发生疲劳失效时就可能发生疲劳失效(sh xio)(sh xio)，因此，屈服应力或抗，因此，屈服应力或抗拉强度不能作为疲劳强度指标。拉强度不能作为疲劳强度指标。 材料的材料的疲劳强度指标疲劳

14、强度指标必须由必须由疲劳强度试验疲劳强度试验测定测定一、一、疲劳的强度指标疲劳的强度指标第20页/共34页第二十一页，共35页。14.4 S-N14.4 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定 试验表明：在某一循环特性下，若最大应力不超过试验表明：在某一循环特性下，若最大应力不超过(chogu)(chogu)某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而不发生疲劳。不发生疲劳。 通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r 时的时的疲劳极限疲劳极限(持久极限持久极限)，用，用 r表示

15、表示。 疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标 疲劳极限与循环特性有关疲劳极限与循环特性有关 对称循环时的疲劳极限最小对称循环时的疲劳极限最小 对称循环是交变应力中的最危险情况对称循环是交变应力中的最危险情况一、一、疲劳的强度指标疲劳的强度指标第21页/共34页第二十二页，共35页。14.4 S-N14.4 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定疲劳极限的测定疲劳极限的测定(cdng)： 2.第一根试样第一根试样(sh yn)承受承受max0.7b ； 通常在通常在纯弯曲纯弯曲变形下测定变形下测定对称循环对称循环时的疲劳极限时的

16、疲劳极限 -1-1测定步骤测定步骤： 1.准备准备610个个d =710 mm光滑小试样；光滑小试样； 3.逐步减小逐步减小 max，直到循环次数很大时，得到，直到循环次数很大时，得到 -1= max。二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法第22页/共34页第二十三页，共35页。14.4 S-N14.4 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定F522431Fa/21试样试样2夹头夹头3计数器计数器4电机电机5传动轴传动轴6重物重物+aa6二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定疲劳极限的测定(cdng)： 通常在纯弯曲通常在纯弯曲(wnq

17、)(wnq)变形下测定对称循环时的疲劳极限变形下测定对称循环时的疲劳极限-1-1第23页/共34页第二十四页，共35页。14.4 S-N14.4 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定 以最大应力为纵坐标，循环次数以最大应力为纵坐标，循环次数(寿命寿命)为横坐标，为横坐标，将疲劳将疲劳(plo)试验结果描绘成的曲线，称为应力试验结果描绘成的曲线，称为应力寿命曲线或寿命曲线或S-N曲线。曲线。N max max 1 max 2 1NN=1072NS-N曲 线二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法第24页/共34页第二十五页，共35页。14.4 S-N14.4

18、 S-N曲线曲线(qxin)(qxin)及疲劳极限的测定及疲劳极限的测定常温常温(chngwn)试验结果表明：试验结果表明： 若钢材若钢材(gngci)经过经过107次循环仍未疲劳，则再增加循环次次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。数，也不会疲劳。 循环基数循环基数N0=107循环次数循环次数钢材的疲劳极限钢材的疲劳极限经经107次循环仍未发生疲劳的最大次循环仍未发生疲劳的最大 应力值应力值二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法N max max 1 max 2 1NN=1072NS-N曲 线第25页/共34页第二十六页，共35页。第十四章第十四章 材料的疲劳材料的疲劳(plo

19、)(plo)与断裂与断裂14.5 构件构件(gujin)的疲劳极限的疲劳极限一、一、构件外形的影响构件外形的影响二、二、构件尺寸的影响构件尺寸的影响三、三、构件表面质量的影响构件表面质量的影响四、四、构件各种因素的影响构件各种因素的影响第26页/共34页第二十七页，共35页。14.5 14.5 构件构件(gujin)(gujin)的疲劳极限的疲劳极限一、构件外形一、构件外形(wi xn)的影响的影响 对称循环下，对称循环下，有效应力集中系数有效应力集中系数定义为定义为 拉压、弯曲：拉压、弯曲： 扭转：扭转：k1d1)()( kk1d1)()( k式中式中 或或 无应力集中无应力集中的光滑试样的

20、疲劳极限的光滑试样的疲劳极限d1)( d1)( 或或 有应力集中有应力集中且尺寸与光滑试样相同且尺寸与光滑试样相同k1)( k1)( 的试样的疲劳极限的试样的疲劳极限第27页/共34页第二十八页，共35页。14.5 14.5 构件构件(gujin)(gujin)的疲劳极限的疲劳极限二、构件尺寸二、构件尺寸(ch cun)的影响的影响 对称循环下，对称循环下，尺寸系数尺寸系数定义为定义为 拉压、弯曲：拉压、弯曲： 扭转：扭转：式中式中 或或 光滑光滑大大试样的疲劳极限试样的疲劳极限d1)( d1)( 1d1 )(1d1 )( 或或 光滑光滑小小试样的疲劳极限试样的疲劳极限1 1 第28页/共34页第二十九页，共35页。14.5 14.5 构件构件(gujin)(gujin)的疲劳极限的疲劳极限三、构件三、构件(gujin)表面质量的影响表面质量的影响 对称循环下，对称循环下，表面质量系数表面质量系数定义为定义为