第

16

章疲勞強(qiáng)度問(wèn)題

本章主要研究：

循環(huán)應(yīng)力與疲勞的概念

材料的疲勞強(qiáng)度

構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度與分析計(jì)算提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施胡耀增：工程力學(xué)1§1

引言

§2

循環(huán)應(yīng)力及其類(lèi)型§3S-N曲線與材料的疲勞極限§4影響構(gòu)件疲勞極限的主要因素§5對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度計(jì)算§6累積損傷概念簡(jiǎn)述胡耀增：工程力學(xué)2§1引言

循環(huán)應(yīng)力

疲勞破壞及其特點(diǎn)胡耀增：工程力學(xué)3循環(huán)應(yīng)力實(shí)例載荷

F

的大小循環(huán)變化,聯(lián)桿內(nèi)應(yīng)力隨之變化每個(gè)齒隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)循環(huán)受力，齒內(nèi)應(yīng)力循環(huán)變化胡耀增：工程力學(xué)4起落架因飛機(jī)起落而反復(fù)受載（載荷不變,軸轉(zhuǎn)動(dòng)）胡耀增：工程力學(xué)5循環(huán)應(yīng)力－隨時(shí)間循環(huán)變化的應(yīng)力（也稱交變應(yīng)力）循環(huán)應(yīng)力的變化幅度，可能是恒定的,也可能是變化的循環(huán)應(yīng)力恒幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力胡耀增：工程力學(xué)6疲勞破壞及其特點(diǎn)在循環(huán)應(yīng)力作用下，材料或構(gòu)件產(chǎn)生可見(jiàn)裂紋或完全斷裂的現(xiàn)象－稱為疲勞破壞，簡(jiǎn)稱疲勞在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果應(yīng)力足夠大，并經(jīng)歷應(yīng)力的多次循環(huán)后，構(gòu)件將產(chǎn)生可見(jiàn)裂紋或完全斷裂疲勞破壞胡耀增：工程力學(xué)7疲勞破壞特點(diǎn)鋼拉伸疲勞斷裂

破壞時(shí)應(yīng)力低于sb，甚至ss

即使是塑性材料，也呈現(xiàn)脆性斷裂

斷口通常呈現(xiàn)光滑與粗粒狀兩個(gè)區(qū)域斷疲勞破壞過(guò)程，可理解為裂紋萌生、逐漸擴(kuò)展與最后斷裂的過(guò)程胡耀增：工程力學(xué)8§2循環(huán)應(yīng)力及其類(lèi)型

循環(huán)應(yīng)力描述

循環(huán)應(yīng)力類(lèi)型胡耀增：工程力學(xué)9循環(huán)應(yīng)力描述恒幅循環(huán)應(yīng)力較常見(jiàn)，也是分析變幅循環(huán)應(yīng)力問(wèn)題的基礎(chǔ)兩種描述方式：最大應(yīng)力smax與最小應(yīng)力smin平均應(yīng)力sm與應(yīng)力幅sa胡耀增：工程力學(xué)10循環(huán)應(yīng)力類(lèi)型循環(huán)應(yīng)力變化特點(diǎn)，影響材料與構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度－應(yīng)力比或循環(huán)特征對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力－所有

r

-1的循環(huán)應(yīng)力胡耀增：工程力學(xué)11§3

S-N曲線與材料的疲勞極限

疲勞試驗(yàn)S-N曲線與材料的疲勞極限胡耀增：工程力學(xué)12疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)采用小尺寸（6~10mm）光滑標(biāo)準(zhǔn)試樣（為一等強(qiáng)梁）軸向拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)胡耀增：工程力學(xué)13S-N曲線與材料的疲勞極限

S-N曲線

-

應(yīng)力

S（s

或t）與相應(yīng)應(yīng)力循環(huán)數(shù)（或壽命）N的關(guān)系曲線

持久極限-

材料能經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值，用

sr或tr表示，r－循環(huán)特征s/MPasbssN鋼sr－持久極限胡耀增：工程力學(xué)14N0－某指定壽命－材料疲勞極限或條件疲勞極限材料的持久極限與疲勞極限，統(tǒng)稱為材料的疲勞極限胡耀增：工程力學(xué)15§4影響構(gòu)件疲勞極限的主要因素

構(gòu)件外形的影響

構(gòu)件橫截面尺寸的影響構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響胡耀增：工程力學(xué)16構(gòu)件外形的影響應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的形成，對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響很大－存在應(yīng)力集中試樣的疲勞極限－不存在應(yīng)力集中試樣的疲勞極限R愈小,Ks

愈大sb愈高，應(yīng)力集中對(duì)sr的影響愈顯著

Ks－有效應(yīng)力集中因數(shù)胡耀增：工程力學(xué)17應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中，特別對(duì)于高強(qiáng)度材料構(gòu)件增大圓角半徑減小相連桿段的橫向尺寸的差別將必要的孔與溝槽等配置在低應(yīng)力區(qū)采用凹槽與卸荷糟等胡耀增：工程力學(xué)18構(gòu)件橫截面尺寸的影響試驗(yàn)：彎、扭疲勞極限隨構(gòu)件橫截面尺寸增大而減?。瓨?biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限－大尺寸試樣的疲勞極限d愈大,sr降低愈多sb愈高,sr降低愈多es

,et－尺寸因數(shù)胡耀增：工程力學(xué)19構(gòu)件表面加工質(zhì)量的影響最大應(yīng)力發(fā)生在構(gòu)件表層，構(gòu)件表面又常存在各種缺陷，故構(gòu)件表面加工質(zhì)量與表層狀況對(duì)疲勞強(qiáng)度存在影響表面加工質(zhì)量愈低,sr降低愈多；sb愈高，加工質(zhì)量對(duì)sr的影響愈大

b

－表面質(zhì)量因數(shù)對(duì)于重要構(gòu)件,尤其存在應(yīng)力集中的部位,應(yīng)特別講究表面加工方法,愈采用高sb材料,愈重要提高構(gòu)件表層材料的強(qiáng)度、改善表層應(yīng)力狀況，例如滲碳、滲氮、高頻淬火、表層滾壓與噴丸等胡耀增：工程力學(xué)20§5對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度條件

例題胡耀增：工程力學(xué)21對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度條件構(gòu)件疲勞極限與許用應(yīng)力構(gòu)件疲勞強(qiáng)度條件（軸）（拉壓桿與梁）構(gòu)件疲勞極限構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力nf－疲勞安全因數(shù)胡耀增：工程力學(xué)22smax,tmax－最大工作應(yīng)力（名義應(yīng)力）[s-1],[t-1]－對(duì)不同截面一般不同疲勞強(qiáng)度條件的另一種表示形式：胡耀增：工程力學(xué)23例題例

5-1

鉻鎳合金鋼軸，承受對(duì)稱循環(huán)交變彎矩，

Mmax=700N.m,校核疲勞強(qiáng)度。D=50mm，d=40mm,R=5mm,sb=1200MPa,s-1=480MPa,nf=1.6，表面精車(chē)加工。

解：1.工作應(yīng)力計(jì)算危險(xiǎn)截面：A-A胡耀增：工程力學(xué)242.確定影響因數(shù)3.校核疲勞強(qiáng)度胡耀增：工程力學(xué)25§6累積損傷概念簡(jiǎn)介累積損傷概念邁因納定律胡耀增：工程力學(xué)26累積損傷概念汽車(chē)軸、飛機(jī)起落架等承受變幅循環(huán)應(yīng)力，以最大峰值應(yīng)力低于疲勞極限考慮其強(qiáng)度，過(guò)于保守累積損傷概念：當(dāng)構(gòu)件承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每個(gè)應(yīng)力循環(huán)將使構(gòu)件受到損傷，而當(dāng)損傷積累到一定程度時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生破壞胡耀增：