《材料力学》第十章 疲劳强度的概念

max m a min m a
1.对称循环
循环一次
2 max
1
3
1 min
4
r min 1 max
m
1 2
max
min
0
t
a
1 2
max
min
max
2.脉动循环
min 0
r min 0 max
m
1 2
max
min
1 2
试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动 机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应 力，直至断裂破坏。
记录每根试件中的最大应力（名义应力，即疲 劳强度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳 寿命），即可得S —N应力寿命曲线。
max
m ax,1 m ax,2
O
应力—寿命曲线，也称S—N曲线。
max
a
1 2
max
min
0
t
二、疲劳失效
疲劳失效的特点
构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征： 1）破坏时的最大应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应 力； 2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力 循环； 3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料， 也将呈现“突然”的脆性断裂； 4）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。
疲劳破坏案例3
1998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳 破坏。
第10章 疲劳强度的概念
构件正常工作强度条件： u
n
n：安全因数
塑性材料： u s 脆性材料： u b
在周期性应力 u 作用下，构件会产生
裂纹或完全断裂，这种现象为“疲劳失效”。
产生微裂纹——裂纹扩展——断裂 断裂力学
N0 N
材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：
弯曲： 1 0.4b 拉压： 1 0.28 b 扭转： 1 0.23 b
二、影响疲劳极限的主要因素
疲劳破坏案例3
1998年5月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳 破坏。
10.2 疲劳极限及影响疲劳极限的主要因素
一、疲劳极限
疲劳极限（持久极限）—指对光滑小试件进行交变应 力循环试验，经过无穷多次应力循环而不发生破坏的 最大应力值的最高限值。
用 r或 r 来表示，下标r为对应的循环特征 。
max
：最小应力
min
a
a m
t
：平均应力
m
：应力幅值
a
max
m in
a
a m
循环特征：r min max
o
m
1 2
max
min
t
a
1 2
max
min
max m a min m a
1.对称循环
循环一次
2 max
1
3
1 min
4
r min 1 max
第10章 疲劳强度的概念
构件正常工作强度条件： u
n
n：安全因数
塑性材料： u s 脆性材料： u b
在周期性应力 u 作用下，构件会产生
裂纹或完全断裂，这种现象为“疲劳失效”。
产生微裂纹——裂纹扩展——断裂 断裂力学
10.1 交变应力与疲劳失效
一、交变应力
交变应力：构件内随时间作周期性变化的应力。 疲劳与疲劳失效：结构的构件在交变应力的作用下发 生的破坏现象，称为疲劳失效，简称疲劳.
m
1 2
max
min
0
t
a
1 2
max
min
max
2.脉动循环
min 0
r min 0 max
m
1 2
max
min
1 2
max
a
1 2
max
min
1 2
max
O
t
3.静载
r min 1 max
max
O
m
1 2
max
min
max
a
1 2
max
min
1 2
max
O
t
3.静载
r min 1 max
max
O
m
1 2
max
minΒιβλιοθήκη Baidu
max
a
1 2
max
min
0
t
二、疲劳失效
疲劳失效的特点
构件在交变应力作用下失效时，具有如下特征： 1）破坏时的最大应力值往往低于材料在静载作用下的屈服应 力； 2）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力 循环； 3）构件在破坏前没有明显的塑性变形预兆，即使塑性材料， 也将呈现“突然”的脆性断裂； 4）金属材料疲劳断裂断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。
应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。 完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个周期。
o
t
max
o
min
：最大应力
max
：最小应力
min
a
a m
t
：平均应力
m
：应力幅值
a
max
m in
a
a m
循环特征：r min max
o
m
1 2
max
min
t
a
1 2
max
min
疲劳失效机理
金属材料裂纹
疲劳源
裂纹扩展 光滑区
脆断
粗糙区
疲劳破坏案例1
1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨 转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是 设计问题。
疲劳破坏案例2
1981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡 123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下， 横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台 沉没于大海之中
疲劳失效机理
金属材料裂纹
疲劳源
裂纹扩展 光滑区
脆断
粗糙区
疲劳破坏案例1
1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因螺旋桨 转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是 设计问题。
疲劳破坏案例2
1981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡 123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下， 横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台 沉没于大海之中
1 为对称循环时材料的疲劳极限
1 2
N1 N2
S-N曲线
1 N
材料的疲劳极限
有色金属及其合金的应力—寿命曲线无明显趋 于水平的直线部分。通常规定N0=(5~10)×107作为 循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。
max
r 0.6 r 0.3
r 0.0
r r 1
O
E D C A
10.1 交变应力与疲劳失效
一、交变应力
交变应力：在构件内随时间作周期性变化的应力。 疲劳与疲劳失效：结构的构件在交变应力的作用下发 生的破坏现象，称为疲劳失效，简称疲劳.
应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。 完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个周期。
o
t
max
o
min
：最大应力