机械零件的疲劳强度与疲劳断裂ppt(共37页)
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机械零件的疲劳强度与疲劳断裂
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂什么是疲劳强度和疲劳断裂？疲劳强度是指材料在反复受到应力载荷作用下，发生疲劳断裂之前的最大应力强度。
疲劳断裂是指材料在反复应力作用下发生的突然断裂，它是一种重要的机械零件失效模式。
为什么要研究疲劳强度与疲劳断裂？在机械设计中，许多工作条件会引起局部应力集中，导致机械零件受到疲劳应力的作用。
如果机械零件的疲劳强度不够高，就会发生疲劳断裂，导致机械零件失效。
因此，研究疲劳强度和疲劳断裂是为了保证机械零件的可靠性和安全性。
影响机械零件疲劳强度与疲劳断裂的因素机械零件的疲劳强度和疲劳断裂受到许多因素的影响，以下是一些常见的因素：1.材料特性：材料的强度、韧性和疲劳寿命等特性会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
一些金属材料具有较高的疲劳强度和疲劳韧性，而一些非金属材料则较低。
2.载荷特性：载荷的频率、幅值和载荷类型（拉伸、压缩、扭转等）对机械零件的疲劳强度和疲劳断裂有着重要影响。
高频率和大幅度的载荷容易导致疲劳断裂。
3.制造工艺：制造过程中的缺陷（如裂纹和夹杂物）会使机械零件的疲劳强度降低，从而增加疲劳断裂的风险。
4.工作环境：工作环境中的温度、湿度和腐蚀等因素也会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
如何评估机械零件的疲劳强度与疲劳断裂？评估机械零件的疲劳强度和疲劳断裂是一个复杂的过程，通常需要借助实验和数值模拟等方法。
1.实验方法：通过设计和进行疲劳试验，可以获取机械零件在不同应力载荷下的疲劳寿命和断裂情况。
实验方法可以帮助工程师确定不同材料和设计方案的疲劳强度，并提供实际应用中的可靠性数据。
2.数值模拟：利用计算机仿真方法，可以预测机械零件在特定工况下的疲劳强度和疲劳断裂情况。
数值模拟方法可以节省时间和成本，并帮助工程师在设计阶段优化零件的几何形状和材料选择。
如何提高机械零件的疲劳强度？为了提高机械零件的疲劳强度，可以从以下几个方面进行优化：1.材料选择：选择具有较高疲劳强度和疲劳韧性的材料，例如高强度钢、铝合金等。
机械零件的疲劳强度
为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？
这是因为金属表面和内部结构并不均匀， 从而造成应力传递的不平衡，有的地方 会成为应力集中区。与此同时，金属内 部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在 力的持续作用下，裂纹会越来越大，材 料中能够传递应力部分越来越少，直至 剩余部分不能继续传递负载时，金属构 件就会全部毁坏。
变应力：随时间变化
t
t
Fa A
t
2
变应力的描述
m─平均应力； a─应力幅
max─最大应力；
min─最小应力
t
max m a
min m a
m
max
min
2
r min max
r ─应力比（循环特性）
a
max
min
2
• 疲劳（fatigue）是由应力不断变化引起的 材料逐渐破坏的现象。
疲劳的基本概念
美国材料试验协会（American Society for Testing Materials, ASTM）将疲劳定义为
“材料某一点或某一些点在承受交变应 力和应变条件下，使材料产生局部的永 久性的逐步发展的结构性变化过程。在 足够多的交变次数后，它可能造成裂纹 的积累或材料完全断裂”。
描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有 2 个 参数是独立的。
1、非对称循环
max
1 r 1
a
nF
min
m
Fa
a
Fa
t
2、对称循环 r 1
n
F
a
max a min m 0
3、脉动循环 r 0
max
a
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
强度极限越 高的钢敏感系数 q值越大，对应 力集中越明显。
铸铁：
若同一剖面上有 几个应力集中源，则 应选择影响最大者进 行计算。
机械零件的疲劳强度
3.3.2 尺寸的影响 零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。 尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数
表示，
PPT文档演模板
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
2020/11/18
机械零件的疲劳强度
PPT文档演模板
机械零件的疲劳强度
3.2疲劳曲线和极限应力图 σ 3.2.1疲劳曲线（σ-N曲线）
N — 应力循环次数 σrN — 疲劳极限（对应于N） N0 — 循环基数（一般规定为
σrN
σr
）
σr —疲劳极限（对应于N0）
机械零件的疲劳强度
（2）绘制零件的许用极限应力图
S点不必进行修正 A′（0，278.5） B′（400，222.8） S （1000，0）
PPT文档演模板
机械零件，278.5）
A′（0，278.5） B′（400，222.8） S （1000，0）
B（400，400）
E
M＇
M（520，280）
B′（400，222.8）
E′
135°
O
σm
S（1000，0）
M点落在疲劳安全区OA′E′以外，该零件发生疲劳破坏。
PPT文档演模板
机械零件的疲劳强度
例3 某轴只受稳定交变应力作用，工作应力
材料的机械性能
，
，轴上危险截面的
，
，
。
（1）绘制材料的简化极限应力图；
（2）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿
材料的疲劳损伤与断裂ppt课件
S
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
正弦波
矩形波
梯形波
26
材料的疲劳性能
27
材料的疲劳性能
材料的疲 劳性能
材料的循环变形特性 - relationship
载荷寿命关系 -N curve -N curve
疲劳裂纹扩展特性 da/dN curve
28
材料的疲劳性能
拉伸应力-应变关系
σ-ε
S-e
σ ε
m
max min
2
a
max min
2
r min / max
疲劳极限应力图
41
疲劳强度的影响因素
Gerber Parabola
Modified Goodman line
42
疲劳强度的影响因素
等效应力幅
43
疲劳强度的影响因素
疲 劳 裂 纹 通 常 起始于零件表面 表 面 状 况 对 疲 劳寿命有很大的 影响 表 面 光 洁 度 越 高，形成疲劳裂 纹的时间越长。
S
S
S
0 恒幅循环
t
0
变幅循环
t
0 随机载荷
t
疲劳载荷的类型
23
疲劳的基本概念
恒幅循环参数
平均应力
Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 应力范围
S=Smax-Smin
(3)
应力比 R=Smin/Smax
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。 24
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
2
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
疲劳强度理论课件
疲劳强度理论课件
疲劳强度理论课件是关于机械疲劳强度的详尽介绍，涵盖了定义、基本原理、 影响因素、试验方法、工程应用、控制与提高等内容。
疲劳强度概述
疲劳强度是指材料在持续循环加载下能够承受的最大应力水平。了解疲劳强 度的概念和重要性对机械设计和制造非常关键。
疲劳强度的基本原理
1 塑性应变
材料在疲劳加载下的变形形式，对材料的疲劳强度起到重要影响。
疲劳强度的试验方法
1
疲劳试验机
用于模拟真实工况下的疲劳加载，并采集疲劳试验数据。
2
疲劳试验的步骤
包括样品准备、加载设定、试验运行和数据分析等步骤。
3
结果处理和分析
通过对疲劳试验数据进行处理和分析，得出材料的疲劳强度。
疲劳强度的工程应用
疲劳寿命预测
疲劳裂纹扩展
通过疲劳试验数据和理论模型， 预测机械零件的使用寿命。
2 塑性应力
材料在疲劳加载下的应力状态，可能导致材料失效。
3 应力集中
材料中存在的几何形状或表面不平整引起的应力集中对疲劳强度产生负面影响。
疲劳强度的影响因素
材料的影响
不同材料的疲劳特性会导致 其疲劳强度的差异。
加载方式的影响
不同的加载方式会对材料的 疲劳强度产生不同的影响。
工作环境的影响
工作环境的温度、湿度等因 素会对材料的疲劳强度有一 定的影响。
探讨疲劳加载下裂纹扩展对材 料的损伤和失效。
疲劳断裂
了解疲劳断裂过程和失效原因， 避免机械部件发生疲劳破坏。
疲劳强度的控制与提高
1
设计防止疲劳破坏
通过合理的设计和工艺，避免疲劳破坏的发生。
2
增强材料的抗疲劳能力
通过改进材料的组成和结构，提高其抗疲劳能力。
疲劳强度理论课件是关于机械疲劳强度的详尽介绍，涵盖了定义、基本原理、 影响因素、试验方法、工程应用、控制与提高等内容。
疲劳强度概述
疲劳强度是指材料在持续循环加载下能够承受的最大应力水平。了解疲劳强 度的概念和重要性对机械设计和制造非常关键。
疲劳强度的基本原理
1 塑性应变
材料在疲劳加载下的变形形式，对材料的疲劳强度起到重要影响。
疲劳强度的试验方法
1
疲劳试验机
用于模拟真实工况下的疲劳加载，并采集疲劳试验数据。
2
疲劳试验的步骤
包括样品准备、加载设定、试验运行和数据分析等步骤。
3
结果处理和分析
通过对疲劳试验数据进行处理和分析，得出材料的疲劳强度。
疲劳强度的工程应用
疲劳寿命预测
疲劳裂纹扩展
通过疲劳试验数据和理论模型， 预测机械零件的使用寿命。
2 塑性应力
材料在疲劳加载下的应力状态，可能导致材料失效。
3 应力集中
材料中存在的几何形状或表面不平整引起的应力集中对疲劳强度产生负面影响。
疲劳强度的影响因素
材料的影响
不同材料的疲劳特性会导致 其疲劳强度的差异。
加载方式的影响
不同的加载方式会对材料的 疲劳强度产生不同的影响。
工作环境的影响
工作环境的温度、湿度等因 素会对材料的疲劳强度有一 定的影响。
探讨疲劳加载下裂纹扩展对材 料的损伤和失效。
疲劳断裂
了解疲劳断裂过程和失效原因， 避免机械部件发生疲劳破坏。
疲劳强度的控制与提高
1
设计防止疲劳破坏
通过合理的设计和工艺，避免疲劳破坏的发生。
2
增强材料的抗疲劳能力
通过改进材料的组成和结构，提高其抗疲劳能力。
机械零件的疲劳强度.
A’
M' ('me,'ae)
B’
E E’
/K
0/2K
45° O
135° S (s,0)
m
K N 1 1 a m (k ) D (k ) D
直线E’S方程：
2 1 0
0
' max
m s a
按静强度计算 当
10 3 (10 4 ) N N 0 ——高周循环疲劳
N
有限寿命区 无限寿命区
随循环次数↑疲劳极限↓
N
O
N
N0
N
2
N ——持久极限
对称循环：
无限寿命区 N N0
1 1
有限寿命区
脉动循环：
0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3、 无明显塑性变形的脆性突然断裂
4 、破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 三、疲劳破坏的机理：
损伤的累积 四、影响因素： 不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环
次数，应力幅（应力集中、表面状态、零件尺寸）都
对疲劳极限有很大影响。
§ 3—2 材料的疲劳曲线和极限应力图
N ( N )——疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后
第三章 机械零件的疲劳强度
疲劳强度计算方法： 1、安全——寿命设计 2、破损——安全设计
§ 3—1 疲劳断裂的特征
一、失效形式：疲劳断裂
二、疲劳破坏特征： 1、断裂过程：① 产生初始裂纹 （应力较大处） ② 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 展，直至产生疲劳裂纹。 2 、断裂面：① 光滑区（疲劳发展区） ② 粗糙区（脆性断裂区）
M' ('me,'ae)
B’
E E’
/K
0/2K
45° O
135° S (s,0)
m
K N 1 1 a m (k ) D (k ) D
直线E’S方程：
2 1 0
0
' max
m s a
按静强度计算 当
10 3 (10 4 ) N N 0 ——高周循环疲劳
N
有限寿命区 无限寿命区
随循环次数↑疲劳极限↓
N
O
N
N0
N
2
N ——持久极限
对称循环：
无限寿命区 N N0
1 1
有限寿命区
脉动循环：
0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3、 无明显塑性变形的脆性突然断裂
4 、破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 三、疲劳破坏的机理：
损伤的累积 四、影响因素： 不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环
次数，应力幅（应力集中、表面状态、零件尺寸）都
对疲劳极限有很大影响。
§ 3—2 材料的疲劳曲线和极限应力图
N ( N )——疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后
第三章 机械零件的疲劳强度
疲劳强度计算方法： 1、安全——寿命设计 2、破损——安全设计
§ 3—1 疲劳断裂的特征
一、失效形式：疲劳断裂
二、疲劳破坏特征： 1、断裂过程：① 产生初始裂纹 （应力较大处） ② 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 展，直至产生疲劳裂纹。 2 、断裂面：① 光滑区（疲劳发展区） ② 粗糙区（脆性断裂区）
4.疲劳与疲劳断裂解析
典型的疲惫断口的宏观形貌构造可分为疲惫核心 、疲惫源区、疲惫裂纹的选择进展区、裂纹的快速扩 展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲惫断口在宏观 上也可粗略地分为疲惫源区、疲惫裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲惫区和瞬时 断裂区两个局部。大多数工程2 构件的疲惫断裂断口上 13
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
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1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
第2章机械零件的疲劳强度计算机械设计课件
作σ
自用盘编号JJ321002
r∞
，通常用N0次数下的σ r取代，σ r值由实验得到。
σ
rN
轻合金材料的循环基数通常取为： N0≈2.5×108 σ
r
0
N0
N
图2—5 轻合金材料的σ—N曲线 N0称为循环基数，对应的疲劳极限σ r称为该材料的疲
劳极限。 对于钢材：当HB≤350时：N0≈106~107；
α
σ
、α
τ
——理论应力集中系数，查教材P39 ~ P41附表
自用盘编号JJ321002
3—1 ~ 附表3—3或查手册和其它资料。 若一个剖面上有几个不同的应力集中源，则零件的疲劳 强度由各kσ （kτ ）中的最大值决定。
3、尺寸效应的影响 材料的疲劳强度极限是对一定尺寸的光滑试件进行实验 得出的，考虑到零件尺寸和试件的尺寸不同，其疲劳强度 也不一样，故引入一个尺寸系数ε： 1d 1d 直径d的 ; 1 1 标准试件的 εσ 、ετ的值可查教材P42 ~ P43附图3—2、3—3，附 表3—7或查手册及有关资料。 4、表面质量的影响 零件表面的加工质量，对疲劳强度也有影响，加工表面 的粗糙度值越小，应力集中越小，疲劳强度越高。因此引 入一个表面质量系数β 来考虑零件表面的加工质量不同对 疲劳强度的影响。 β可查教材P44附图3—4
max
自用盘编号JJ321002
min r max
称r为应力循环特性，表示了变应力 的变化性质。
σa σ r=-1
r=-1 t
σ
r=0 t t r=+1 t + σm
t 左边区域： σ 压应力为主， Ⅱ区： 零件在压缩 - 1 ＜ r ＜0 变应力时破 σ 坏的情况较 Ⅰ区： 少，故不予 0 ＜r ＜+ 1 以分析。 45° - σm σ 0 0
机械设计精品课件 疲劳强度
事1
画图
σ
−1
σγ
极限应力图2
疲劳曲线和极限应力图
事1
事2
σa
、
A 0,σ−1) (
疲劳强度线
B (
σγa
σ0 σ0
2 ,
D
值
2
)
(σγm +σγa = σs )
屈服强度线
考试
45o
45o
o
σ γm
G σs ,0) (
σm
极限应力图2
疲劳曲线和极限应力图
事1
事2
σa
、
A 0,σ−1) (
疲劳强度线
§2-1 概
述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生， 也可能由静载荷产生
一定学会判断应力类型
§2-1 概
一、疲劳破坏
述
§2-1 概 述
疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。
1、疲劳破坏 (Fatigue failure)
疲劳破坏： 变应力、多次作用下 疲劳破坏： 变应力、多次作用下，材料发生破坏 疲劳破坏 过 程： ①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断 ①小应力: 小应力 持续性: ②持续性 变应力最大值低于材料静强度限 变应力多次作用 对材料、 对材料、几何形状敏感 突然断裂 曲轴断裂 实例 内源断裂
B (
σγa
σ0 σ0
2 ,
D
值
2
)
(σγm +σγa = σs )
屈服强度线
45o
45o
o
表中数值表明：平均应力对疲劳强度的影响，合金钢比碳钢大。
σ γm
疲劳与断裂2ppt课件第二章节应力疲劳
宏观机理的研究有助于了解材料 的疲劳断裂过程，并指导材料的
设计和应用。
裂纹扩展与断裂
当材料受到循环应力作用时， 裂纹会在材料内部形成并逐渐 扩展。
随着循环次数的增加，裂纹扩 展到一定程度后，材料会发生 断裂。
裂纹扩展与断裂的研究有助于 预测材料的寿命和安全性，为 工程结构的维护和安全评估提 供依据。
在循环应力作用下，材料内部的微观 结构会发生改变，如晶粒的变形、位 错的滑移等，这些改变会影响材料的 疲劳性能。
宏观机理
宏观机理主要研究材料在宏观尺 度上的疲劳行为，包括材料的应
力应变曲线、塑性变形等。
在循环应力作用下，材料会发生 塑性变形，随着循环次数的增加， 塑性变形逐渐累积，最终导致材
料的断裂。
Байду номын сангаас命较长。
应力集中
结构中的缺口、孔洞、 切槽等引起的应力集中，
会降低疲劳寿命。
环境因素
温度、湿度、腐蚀介质 等环境因素对材料的疲
劳性能产生影响。
02
应力疲劳的机理
微观机理
微观机理主要研究材料在微观尺度上 的疲劳行为，包括晶粒、位错等。
微观机理的研究有助于深入了解材料 的疲劳性能，并为提高材料的疲劳强 度提供理论依据。
03
应力疲劳的测试与评估
测试方法
01
02
03
恒幅载荷疲劳试验
在恒定的应力幅值下，对 试样进行疲劳试验，以确 定试样的疲劳极限和寿命。
随机载荷疲劳试验
模拟实际工况中的随机载 荷，对试样进行疲劳试验， 以评估试样在随机载荷下 的疲劳性能。
断裂力学方法
通过测量材料的裂纹扩展 速率和临界应力强度因子， 评估材料的疲劳性能和断 裂韧性。
《疲劳强度及》课件
疲劳强度的分类
01
02
03
按载荷类型
分为弯曲疲劳、扭转疲劳 、拉压疲劳、复合疲劳等 。
按应力循环特性
分为高循环疲劳和低循环 疲劳。
按环境条件
分为干态疲劳和湿态疲劳 、高温疲劳和低温疲劳等 。
02
疲劳强度的影响因素
材料性质
金属材料
金属材料的疲劳强度与其内部结构、 晶粒大小、杂质含量等因素有关。一 般来说，晶粒越细小、杂质越少，金 属的疲劳强度越高。
损伤容限设计法
断裂力学设计法
通过控制裂纹扩展速率，合理选择检查和 维修周期，以实现疲劳寿命的延长。
利用断裂力学原理，分析裂纹的形成和扩 展规律，对零件或结构进行疲劳强度设计 ，提高设计的可靠性。
疲劳强度设计流程
载荷分析
分析零件或结构在工作过程中所承受 的载荷，包括静态载荷和动态载荷。
02
材料性能测试
非金属材料
对于非金属材料，如塑料、橡胶等， 其疲劳强度主要受材料本身的化学键 、分子结构、温度等因素影响。
应力水平
高应力水平
在较高的应力水平下，材料更容 易发生疲劳断裂，因为高应力使 得材料内部的裂纹扩展更快。
低应力水平
在较低的应力水平下，材料的疲 劳强度通常较高，因为低应力使 得裂纹扩展的速度减缓。
评估材料的疲劳强度和寿命。
结果分析应采用适当的统计方法 和技术，以得出可靠的结论。
以上内容仅供参考，具体内容可 以根据您的需求进行调整优化。
04
疲劳强度设计应用
疲劳强度设计原则
安全系数法
概率疲劳设计法
根据材料疲劳强度安全系数和应力集中系 数，确定零件或结构的疲劳强度安全系数 ，确保安全可靠性。
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s
2s1 s0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素
一、应力集中：
有效应力集中系数 Ks1q(s1)
s —几何形状决定的理论系数 （ 图3-9） q—敏感系数 （图3-10） 铸铁：(q=0） 定性： 跟材料、形状有关
σB A B C
可用下式描述
srm N N = C (N C≤ N ≤ N D )
σrN σr
潘存云教授研制
D点以后的疲劳曲线呈 一水平线，代表着无限寿命
N=1/4
103 104 N
D N0≈107 N
区其方程为
s s rN r N （ N D )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个
N=1/4 103 104 N
D N
N0≈107
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的
边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如 果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），
则无论循环多少次，材料都不会破坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段 高周疲劳
循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳
极限σr来近似代表ND和 σr∞。
于是有 srm N NsrmN0C
CD区间内循环次数N与疲 劳极限srN的关系为
srN
sr
m
N0 N
KNsr
N
sr s rN
m N0
σmax σB A B C
σ 潘存云教授研制 rN σr
二、极限应力图（σ m——σ a）
材料的极限应力在同一 应力循环次数N，与循环特 σa
征r的关系称为极限应力图。
其表达：（σ m——σ a）
σ-1
实际应用时常有两种简化方法。
σa
σa
σS
σm
σ-1
潘存云教授研制
σS 简化曲线之一
σ-1
潘存云教授研制
45˚
σm
σS
σm
简化曲线之二
简化极限应力线图：
疲劳断裂具有以下特征：
▲ 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低，甚至比屈服极限低
潘存云教授研制
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果 ▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
疲劳断裂与静力断裂的比较：
度
§3-1 疲劳断裂的特征
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 表面光滑
失效过程： ①零件在变应力作用下由制造或材料
等内部缺陷引起的微观裂纹 ②随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩
展，面积减小，应力增加 ③当剩余材料不足以承受载荷时，突
然脆性断裂
截面情况：分成三个区 ①粗糙区 ②光滑区 ③疲劳源
表面粗糙
当应力点落在OA’G’C以外 时，一定会发生疲劳破坏。
A’
B’ GD’
σ-1 σ0 /2
而正好落在A’G’C折线上
潘存云教授研制
时，表示应力状况达到疲 劳破坏的极限值。
45˚
45˚
O σ0 /2 σS
CSσm
公式 s1sassm 中的参数σ为试件受循环弯曲应力
时的材料常数，其值由试验及下式决定
应力： 断口： 次数：
疲劳断裂
静力断裂
不管脆性材料或塑性材料，
§3-2 疲劳曲线和极限应力图
一、 s —N疲劳曲线
劳极用限参，数通σ过m实ax表验征，材可料得的出疲如σσmaBx
AB C 潘存云教授研制
图所示的疲劳曲线。称为：
s —N疲劳曲线
在原点处，对应的应力
循环次数为N=1/4，意味着在 N=1/4 103 104
第3章 机械零件的疲劳强度
§3-1 疲劳断裂的特征 §3-2 疲劳曲线和极限应力图 §3-3 影响机械零件疲劳强度的主要因素 §3-4 稳定变应力下机械零件的疲劳强度 §3-5 规律性非稳定变应力的疲劳强度
第3章 机械零件的疲劳强度
主要内容: ① 疲劳断裂的特征 ② 必须掌握材料的疲劳曲线以及极限应力图 ③ 计算稳定变应力下机械零件的疲劳强度 ④ 计算规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强
跟材料对应力的集中敏感系数程度有关 二、尺寸影响： 尺寸系数 s （查图3-11,3-12） 大小不同，则微裂纹就不一样； 三、表面状态
表面状态系数 s （查图3-13）
综合影响系数：
(Ks
)D
ks
s s
其中：kσ ——有效应力集中系数；εσ ——尺寸系数；
βσ ——表面质量系数；
σ0 /2 σ’m σS
Sσm σ’a
D’S直线上任意点N’ 的坐标为（σ’m ，σ’a ） 由三角形中两条直角边相等可求得 D’S直线的方程为
s'maxsasm ss
说明D’S直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。
当循环应力参数（ σm，σa ）落在OA’G’C以内 时，表示不会发生疲劳破坏。 σa
r
d
D
应力 公称应力公式
ασ （拉伸、弯曲）或ατ（扭转、剪切）
r/d
D/d 2.00 1.50 1.30 1.20 1.15 1.10 1.07 1.05 1.02 1.01
拉
4F
σ=
伸
πd3
0.04 2.80 2.57 2.39 2.28 2.14 1.99 1.92 1.82 1.56 1.42
q σ (qτ )
1.0 1400(1250)MPa
α——理论应力集中系数 q σ ——应力集中敏性系数
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
350
0.4
有效应力集中系数kσ
0.3
0.2
0.1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 几何不连续处的圆角半径 r/mm
轴肩圆角处的理论应力集中系数 ασ
N
加载到最大值时材料被拉断。 σ 潘存云教授研制
显然该值为强度极限σB 。
在AB段，应力循环次数
t
<103 σmax变化很小，可以近似
看作为静应力强。
BC段，N=103~104，随着N ↑ → σmax ↓ ,疲劳现象明显。 因N较小，特称为 低周疲劳。
实践证明，机械零件的疲σmax
劳大多发生在CD段。
对称循环 σm=0
σa
脉动循环 σm=σa =σ0 /2
已知A’(0，σ-1) B’ (σ0 /2，σ0 /2)两点坐
A’
B’ D’
N’
σ-1 σ0 /2
标，求得A’D’直线的方程 为
4潘5存˚ 云教σ授研’a制 45˚
s1sassm
O
AD’直线上任意点代表了一定循 环特性时的疲劳极限。