机械设计学7

(1)疲劳裂纹萌生 由局部塑件应变集中引起，有 三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；晶界和孪 晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。
如：滑移带开裂的过程是出 现滑移线，在循环载荷作用下， 随着载荷作用次数的增加，滑 移线不断增多和变粗而形成滑 移带和驻留滑移带。滑移结果， 在驻留滑移带上形成“挤入” 或“挤出”现象，在继续循环 加载的情况下．挤入部分向滑 移带纵深发展，从而形成疲劳 微裂纹。如图7—2示。
当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后， 裂纹扩展方向开始由应力呈45°方向逐渐转向与应力 成垂直的方向，这种拉伸形式的扩展称为第二阶段 裂纹扩展，如图7-1示。
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(3)失稳断裂 损伤逐渐积累到临界值时，即发生瞬 间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图7—2。
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3、疲劳破坏有如下特点：
S一N曲线：表示外加应力水平和标推试样疲劳寿命 之关系的曲线，称为材料的S一N曲线。
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图7—4表示典型的S一N曲线。图中曲线有一水平 部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相 应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限，用σ-1表 示。结构钢的S一N曲线都有一水平的渐近线，其 纵坐标就是其疲劳极限σ-1。
《机械3设.计疲学》劳课极件 限图(疲劳图)
在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳 极限σr，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。 常用的疲劳曲线图有两种、即海夫因和史密斯图， 这里重点介绍海夫因。
把不同的应力比r下试 验得到的疲劳极限，画 在一张图上，该图叫疲 劳极限图
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第七章 机械产品设计中的几个主要技术问题
第一节 机械疲劳设计
一、疲劳破坏的机制和特点 1、概念 1）疲劳：材料或零件在循环应力和应变作用下，在 一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一定 循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称为疲 劳。
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2）交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件 受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的 材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布， 称之为交变应力或交变应变。
四、影响疲劳强度的因素
影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为 四个方面：一是材料本身的化学成分、金相组织及内 部缺陷等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；三 是工作载荷的特性；四是工作环境及条件等。本节只 讨论在常规工作条件下的主要影响因素：零件形状、 尺寸、表面状况等对疲劳强度的影响。
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1．应力集中的影响
在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽 沟、轴肩、孔、拐角，切口等截面变化。这些外形突 然变化和材料不连续地方，常产生很大的局部应力， 即称应力集中。在抗疲劳设计中，为计算应力集中的 影响，引入了理论应力集中系数α。其定义为：在弹性 变形范围内材料的局部应力峰值与名义应力值之比称 理论应力集中系数，即：
式中m和c是材料常数，与材料性质，试样形式和加 载方式有关。两条直线的交点N0称为循环基数。钢 的N0约为107。两直线交点的纵坐标就是疲劳极限σ1。
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2.疲劳极限的经验公式
当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的 静强度机械性能来近似计算、表7—l中列出材料的 疲劳极限与静强度的关系。
4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很 多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感 地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和 所处环境等。
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5）在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏 断口的显著特点，即有疲劳源(或称疲劳核心)、疲 劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7—2所示。
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(2)疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段：
当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移 带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与 正应力大致成45°角的滑移面扩展。裂纹沿着最大切 应力方向的滑移面扩展称为疲劳裂纹第一扩展阶段。 该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长度， 其范围在2~5个晶粒之内。
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二、载荷类型
掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条 件，按照交变应力的特征，可分为：对称循环、脉 动循环、不对称循环 (应力比r)。
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三、疲劳曲线、疲劳极限
1．疲劳曲线（S—N曲线）
材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称 为疲劳寿命，以N表示。一般情况下，材料的强度极 限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长； 反之，疲劳寿命愈短。
在一组标准试件 上施加不同载荷F， 使试件承受应力 比r为某值。最大 应力为σmax 的交 变应力作用，将 试样旋转直到疲 劳破坏为止，并 记录循环次数N。
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如将S—N曲线的纵坐标和横坐标都取成对数，则S 一N曲线就成为一条斜直线和一条水平线组成的折线。 如图7-5所示。图中斜直线的方程为：
3）疲劳失效：在交变应力与交变应变的作用下．构 件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象 称之为疲劳失效；
4）疲劳强度：试件抵抗疲劳失效的能力称之为材料 的疲劳强度。衡量材料或结构疲劳强度大小的指标 之一是“疲劳强度极限”，简称“疲劳极限”。
《机2械设、计疲学》劳课件破坏机理
疲劳破Fra Baidu bibliotek一般可分为三个阶段：
疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；
疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口最重要的特征区域， 在该区域中，常见到明显的相互平行的弧形线，称 贝纹线或海滩波纹线；
瞬断区：也称最终破断区。这是静力破断部分。该 区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤 维状，对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的 唇边、刃口等。
1）疲劳断裂应力(即循环应力中最大应力)远比静 应力下材料的抗拉极限σb低，甚至比材料的屈服 极限σs低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。
2）不论是脆性材料或塑性材料；疲劳断裂在宏观 上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。
3）疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的， 因而要经历一定的时间，甚至很长时间。