哈工大能源学院材料力学讲课课件第15章.ppt

构件工作时的疲劳安全系数
• 破坏是脆性断裂，既使塑性很好的材料，也是如此。
•构件的破坏断面，明显分成光亮区域与颗粒状的粗糙区域。
第15章 疲劳
15-2 疲劳的概念及材料的疲劳极限
2）材料的疲劳极限与应力-寿命曲线 疲劳试验表明，在同一循环特征 r 的交变应力下，循环次数 N 随交变应力的最大应力 Smax 的减小而增大，当 Smax 减小到某一 数值时，N 趋于无限大。 材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力， 称为材料的疲劳极限，或称持久极限。
1）应力集中对疲劳极限的影响
有效应力 集中系数
kf
S1 (S1)k
材料的疲劳极限 有应力集中小试件的疲劳极限
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2）构件尺寸对疲劳极限的影响
尺寸系数
f
(S1)d S1
大尺寸试件的疲劳极限 材料的疲劳极限
2）表面加工质量对疲劳极限的影响
质量系数 (S1)
S 1
不同加工方式试件的疲劳极限 材料的疲劳极限
15-1 交变应力与对其描述
1）交变应力
2）交变应力的描述
图中 S 表示广义应力 应力循环
循环次数 N
最大应力 最小应力 平均应力
应力幅值
Smax
循环特征 r
S m in Sm12(SmaxSmi)n
1 Sa 2(SmaxSmi)n
Smin r SSmmaaxx
Smi n
( Smin Smax ) ( Smin Smax )
15-1 交变应力与对其描述 1）交变应力
第15章 疲劳
像这样随时间而循环变化的应力，称为交变应力。 交变应力随时间变化的历程称为应力谱。
15-1 交变应力与对其描述 1）交变应力
交变应力的分类：
等幅交变应力 变化幅度不变
第15章 疲劳
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变幅交变应力 变化幅度也作循环变化
随机交变应力 变化没有规律
第15章 疲劳
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第15章 疲劳
15-4
对称循环下构件的疲劳强度计算
1）构件的疲劳极限 2）构件的许用应力
S01
f
kf
S1
[S01][Sn0f1][nff]kf S1
3）疲劳强度条件
[n f ]
人为规定的疲劳安全系数
Smax[S01][nff]kf S1
或
nf S Sm 01a x kfSf maSx1[nf]
第15章 疲劳
15-1 交变应力与对其描述 1）交变应力 2）交变应力的描述 3）几个典型的交变应力 • 对称循环的交变应力
SmaxSmin
Sm1 2(SmaxSmi)n0 1
Sa2(SmaxSmi)nSmax r1
第15章 疲劳
15-1 交变应力与对其描述 1）交变应力 2）交变应力的描述 3）几个典型的交变应力 • 脉动循环的交变应力
影响疲劳极限的主要因素：
1）应力集中对疲劳极限的影响
有效应力 集中系数
kf
S1 (S1)k
材料的疲劳极限 有应力集中小试件的疲劳极限
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2）构件尺寸对疲劳极限的影响
尺寸系数
f
(S1)d S1
大尺寸试件的疲劳极限 材料的疲劳极限
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第15章 疲劳
15-3 影响疲劳极限的主要因素
影响疲劳极限的主要因素：
材料的疲劳试验 试件——光滑小试件 疲劳试验机 应力-寿命曲线
（简称 S-N 曲线）
NA
—最大应力为 S max, A 时的有
限疲劳寿命
S max, A —有限疲劳寿命为 N A 时 材料的条件疲劳极限。
S 1 —材料的疲劳极限。
第15章 疲劳
15-3 影响疲劳极限的主要因素
用光滑小试件测得的疲劳极限是材料的疲劳极限。但由于构 件的外形结构、截面尺寸以及加工方式等各式各样，完全不同于 光滑小试件，这样，构件的疲劳极限也不同于材料的疲劳极限， 它不仅与材料性质有关，而且还与构件的外形结构、截面尺寸以 及加工方式等因素有关。
Smin0
Sm1 2(SmaxSmi)n1 2Smax Sa1 2(Sm aS xm)i n1 2Sma x Sm r 0
第15章 疲劳
15-1 交变应力与对其描述 1）交变应力 2）交变应力的描述 3）几个典型的交变应力 • 静应力
Sm axSm in
Sm1 2(Sma x Sm)i nSmaxSmin
材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征 r 、 试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲劳试验 测定。
材料的疲劳极限用 S r 表示，即意味着对称循环下的是 S 1 ， 脉动循环下的是 S 0 ，以此类推。
第15章 疲劳
15-2 疲劳的概念及材料的疲劳极限
2）材料的疲劳极限与应力-寿命曲线
1
1
Sa2(Sma x Sm)i n2Sma x 0
r1
第15章 疲劳
15-2 疲劳的概念及材料的疲劳极限 1）疲劳的概念
构件在交变应力作用时的破坏，称为疲劳失效，简称疲劳。 大量工程实践与试验结果表明，构件疲劳与在静应力作用下 的破坏决然不同，有以下四个明显特征：
• 破坏时的名义应力值远小于材料的静强度指标（s、b等) • 需要经历一定次数的应力循环后才破坏，破坏有一个过程。