材料力学疲劳破坏.

随着裂纹的不断扩展，构 件截面的有效面积不断减小， 最后当削弱到不能抵抗破坏时， 就突然断裂，断面上的粗糙颗 粒就是由于最后的突然断裂而 形成的。 疲劳破坏原因： 交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的 主要原因。
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疲劳破坏过程 1. 疲劳裂纹形成 （萌生、成核） 阶段 2. 裂纹扩展阶段 • 微观裂纹扩 展阶段
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车轴每旋转一周，A点的应力就重复变化一次，称为一 个应力循环，随着车轴的不停地旋转，应力作周期性 的变化。 工程力学
单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性
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疲劳——材料对交变应力抵 抗力下降的现象。
疲劳破坏——在交变应力作 用下构件发生的破坏
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交变应力分类 1. 对称循环交变应力 r=-1 2. 非对称循环交变应 力r≠-1 • 脉动循环交变应 力r=0 3. 静应力（静载荷） r=1 σmax(任何交变应力） =σm（静应力）+σa（对称循环应力）
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§10-3 材料的疲劳极限
在交变载荷作用下工作的构件存在一个 能继续工作多长时间的问题，称为疲劳寿命。 研究疲劳寿命的主要方法有： •应力-寿命法。S-N法。 •应变-寿命法。-N法。 •断裂力学法。 S-N法是主要方法，要求零件有无限寿 命或很长寿命。适用于低应力幅。 疲劳极限或持久极限 ——试件可经无限次应力循环而不发生疲劳 工程力学 破坏，交变应力最大值
max M max min W
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耐久性试验包括： •拉压。 •弯曲 •扭转
实践证明：弯曲疲劳极限（σ-1）b、扭转 疲劳极限-1以及拉压疲劳极限σ-1之间有如下 近似线性关系。 •对于钢， （σ-1）b=0.85σ-1。 -1 =0.55σ-1。 •对铸铁， （σ-1）b=0.65σ-1。 -1 =0.90σ-1。
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疲劳破坏的过程： 一般认为是：当交变应力大 小超过一定限度，在构件中应 力为最大处或材料有缺陷处， 材料经过应力多次交替变化后， 首先产生细微裂纹源。 这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐 步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地 变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研 磨，因而形成断面的光滑区域。 通常光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条 工程力学 纹。称为疲劳裂纹前沿线。
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同一种基本变形形式下的持久极限以对称 循环是的持久极限为最低。 所以，以对 称循环交变 应力下的持 久极限作为 材料在交变 应力下的主 要强度指标。 疲劳图线
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§10-4 构件的疲劳极限
在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构 件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响 分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限， 得到构件的疲劳极限。 影响构件疲劳极限的因素 • 应力集中 • 构件尺寸 • 构件表面加工质量
实践证明：疲劳极限σ-1与材料的抗拉强度有 一定关系。如： •对于钢， σ-1约为0.5 σb 。 •对于灰铸铁， σ-1约为0.42 σb 。 •对于球墨铸铁， σ-1约为0.48 σb 。 •对于铝合金， σ-1约为0.3~ 0.35 σb 。
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测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验 旋转弯曲疲劳试验机
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1、构件外形的影响 由于结构与工艺的要求，工程构件的形状 与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键 槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将 会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易 形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材 料的疲劳极限 。
有效应力集中系数 k 光滑试件的疲劳极限 1 1 同尺寸、 有应力集中试件的疲劳 极限
疲劳极限测定方法： 疲劳寿命N 对称循环条件下，疲劳极限值记为σ-1
应力—疲劳寿命曲线含义：
σmax >σ-1,试件经历有 限次循环就破坏 •σmax <σ-1,试件经 历无限次循环而不 发生破坏 •σmax =σ-1,r=-1时材 料的疲劳极限
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一般地，N0=107
“条件”疲劳极限 ——对于有色金属曲线无明显趋近于水平直 线，这时可以规定一个循环次数N0=107
据统计，在机械零件失 效中有80%以上属于疲劳 破坏。
疲劳破坏发生的断面称为疲劳断口， 是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的 特征区域。
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疲劳破坏特点
交变应力引起的疲劳失效 与静应力引起的强度失效有本 质的区别： 1.疲劳破坏是构件在工作应 力低于强度极限，甚至低于屈 服极限的情况下突然发生的断 裂，往往具有突发性。
• 宏观裂纹扩 展阶段
3. 脆性断裂阶段
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§10-2 交变应力的要素
应力循环周期T——一个周期变化所需要的时间 最大应力σmax 、最小应力σmin 循环特征（应力比或 循环特性）
min r max
平均应力σm和应力幅 σa
1 m ( max min ) 2
1 a ( max min ) 2
主讲教师：李林安
答疑地点:
16教学楼一层西侧120 联系电话:27406912 Email: lali@tju.edu.cn
疲劳破坏
• 交变载荷下材料的 疲劳破坏
问题
1、什么是疲劳破坏？有何特征？
2、循环特征、疲劳极限？
3、影响疲劳极限的因素有哪些？
§10-1 交变应力的概念
在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替 变化的应力，这种应力称为交变应力。 构件产生交变应力的原因 有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的 变化；有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在 旋转。 火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分 析应力随时间作交替变化的过程。
2.塑性材料构件也呈脆性断裂，即使塑性 性能很好的材料在断裂前也无明显的塑性变 形。
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3. 构件的疲劳破坏断口上 有两个明显区域：光滑区与粗 糙区，其中粗糙区又称为瞬断 区，断口呈颗粒状。 疲劳破坏有裂纹的发生、扩 展和断裂三个部分。
裂纹产生的位置称为疲劳源 或裂纹源。 裂纹扩展但未断裂的区域称 为扩展区，通常对应光滑区。 裂纹断裂的区域称为断裂区 ，通常对应粗糙区。