疲劳强度模型和S-N曲线_第1页
疲劳强度模型和S-N曲线_第2页
疲劳强度模型和S-N曲线_第3页
疲劳强度模型和S-N曲线_第4页
疲劳强度模型和S-N曲线_第5页
已阅读5页,还剩27页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

章疲劳强度模型——S-N曲线1、S-N曲线材料的疲劳性能用作用的应力范围S与到破坏时的寿命N之间的关系描述,即S-N曲线。寿命N定义为在给定应力比R下,恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。问题:如何得到S-N曲线?实验得到!!2021/5/91

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。2021/5/92

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。NS2021/5/93

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。2021/5/942、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………………应力范围循环次数两个参数:m,A2021/5/95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,

2021/5/96

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2021/5/97对于船海工程,一般构件

主要构件2021/5/98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2021/5/99F2F2FF22021/5/9102021/5/9112021/5/912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!!2021/5/9133、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。2021/5/914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)2021/5/915一般趋势当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。2021/5/916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。2021/5/917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。2021/5/918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。2021/5/919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。2021/5/920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。2021/5/921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*1062021/5/9224、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)2021/5/923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。2021/5/924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。2021/5/9252)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。2021/5/9263)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。2021/5/9274)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。2021/5/9282021/5/929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。2021/5/9305)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

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论