第10章-交变应力与疲劳强度.ppt

1、1,疲劳破坏：材料在交变应 力下的破坏,I、金属材料的疲劳破坏,目录,2,I、金属材料的疲劳破坏,目录,3,I、金属材料的疲劳破坏,目录,4,I、金属材料的疲劳破坏,目录,5,（1） 破坏时，名义应力值远低于材料的静 载强度极限；,（3） 破坏前没有明显的塑性变形即使韧性 很好的材料，也会呈现脆性断裂；,（2） 交变应力作用下的疲劳失效需要经过 一定数量的应力循环；,（4） 同一疲劳断口，一般都有明显的光滑 区域和颗粒状区域。,疲劳破坏的特征,目录,6,疲劳破坏的发展过程,1.高应力区在交变应力下出现微裂缝裂纹源,2.裂纹源尖端的应力集中，使裂纹扩展宏裂纹,3.宏裂纹两侧时压、时离，似相互研磨

2、，形成光滑区,4.裂纹削弱的截面，应力增大到一定程度，在突加的外因（超载、冲击或振动）下突然断裂，断口出现粗糙区,5.因裂纹尖端为3向应力状态故为出现脆性断裂,目录,7,随着时间的变化，应 力在一固定的最小值和最 大值之间作周期性的交替 变化，应力每重复变化一 次的过程称为一个应力循 环。,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,8,交变应力的例子 观察车轮上一个点,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,9,Smin最小应力,Smax最大应力,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,10,平均应力,应力幅,循环特性（应力比）r：,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,11,r =

3、0 ：脉动应力循环,r = -1 ：对称应力循环,r = 1 ：静应力,几种特殊的交变应力：,目录,12,发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax = 58.3kN，最小拉力 Pmin =55.8kN，螺纹内径 d=11.5mm。求 、m 和 r。,解：,例题 1,目录,13,疲劳强度设计的依据疲劳极限,疲劳极限经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。又称为持久极限。,疲劳极限由疲劳实验确定,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,14,疲劳试验装置,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,15,应力寿命曲线,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,16,条件疲劳极限,对于有

4、渐近线的 SN 曲线，规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,对于没有渐近线的 SN 曲线，规定经历 2 107次应力循环而不发生疲劳破坏，即认为可以承受无穷多次应力循环。,17,从图可以得出三点结论：,对于疲劳，决定寿 命的最重要因素是应力 幅 。,(2) 材料的疲劳寿命N 随应力幅Sa的增大而减小。,(3) 存在这样一个最大应力，低于该应力，疲劳破 坏不会发生，该最大应力称为疲劳极限，记为Sr ， 如对称循环下的疲劳极限为S-1，脉动循环下为S0。,O,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,18,低碳钢，静强

5、度极限,弯曲疲劳极限,拉压疲劳极限,实验表明，钢材的静强度极限与疲劳极限 间有一定关系，如：,II、交变应力的基本参量，疲劳极限,目录,19,（1）应力集中的影响； （2）构件尺寸的影响； （3）表面加工质量的影响；,兼顾如下主要影响因素，并考虑适当的 安全因数：,一般构件传统疲劳设计理念,建立疲劳强度条件，即最大应力不超过许可值。,目录,20,钢结构构件及其连接的疲劳计算,对于存在残余应力的构件，如焊接钢结构构 件，原始应力已经接近或达到屈服极限s，以最 大应力为计算、评价基准不再可行，通常用应力 幅代替最大应力。,常幅疲劳应力循环中应力幅不变。,变幅疲劳应力循环中应力幅有起伏。,目录,21

6、,疲劳试验表明，常幅疲劳在常温、无腐蚀环 境下，应力幅和循环次数N 间存在对数关系：,或,其中、a是与构件 及连接类别有关的 两个参数。,和N 的对数关系曲线,目录,I、常幅疲劳的疲劳强度条件,22,常幅疲劳许用应力幅的实用表达式：,C 是与构件和连接的种类及其受力情况有 关的参数。列于教材表6-1。,上式适用于焊接钢结构的各类构件和连接。 构件连接的分类列于教材表6-2。,目录,I、常幅疲劳的疲劳强度条件,23,I、常幅疲劳的疲劳强度条件,疲劳强度条件,其中为危险点处应力循环中的应力幅；,焊接部位：,非焊接部位：,为许用应力幅,max 和 min 按弹性状态计算。,钢结构设计规范中规定，循环

7、次数N105时，应进行疲 劳计算；而应力循环中不出现拉应力不需验算疲劳强度。,目录,24,例题 2,一焊接箱型钢梁在跨中截面受到Fmin=10kN和Fmax= 100kN的常幅交变荷载作用，跨中截面对其形心主轴 z的惯性矩Iz=68.510-6m4。该梁由手工焊接而成，属 第四类构件，欲使构件在服役期限内，能经受2106次交变荷载作用，试校核其疲劳强度。,目录,25,解：（1）计算危险点处的应力幅,危险点在跨中下翼缘处a点，其最大、最小拉应力为：,应力幅,目录,26,（2）确定许用应力幅，校核疲劳强度,由表6-1查得第四类构件的C 值：,C = 2.18 1012 ， = 3,焊接钢梁的常幅疲劳许用应力幅为：,显然 ，所以，该焊接钢梁在服役期限 内能满足疲劳强度要求。,目录,27,变幅