材料力学疲劳破坏

裂纹断裂的区域称为断裂区
，通常对应粗糙区。
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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。
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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。
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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。
max
1 K max
1 k max
n
n
0 1
max
1 K max
1 k max
n
构件疲劳强度计算的三类问题
1. 疲劳强度校核，
2. 截面设计
3. 许用载业务荷推广计部 算
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§10-6 、 提高构件疲劳强度的措 施
一、降低应力集
为中了降低构件的应力集中，构件的形状设计
中要尽量避免出现带有尖角的孔和槽。在截
力流线
卸荷槽，退刀 槽
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二、提高表面质 量 1.降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求 较高的构件，应设法降低其表面的粗糙度，使 具有较高的光洁度，对高强度钢尤其如此，此 外在装配及使用过程中，也应严防对构件表面 的机械损伤或化学损伤。
2.提高表面层的强度。前已述及，对于工
作应力较大的表面，宜采用某些工艺措施，设
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。
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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
• 宏观裂纹 扩展阶段
3. 脆性断裂阶业务推广部
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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）
r min max
法提高表面强度、提高表面质量系数，达到提
高疲劳强度的效果。但要严格控制工艺过程，
避免在提高表面层强度的同时，产生损伤表面、
降低疲劳强度业务的推广事部 故。
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作业 习题： p441 21-1(b) 、 21-4
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主讲教师：李林安
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1
答疑地点:
16 教 学 楼 一 层 西 侧 12联0系电话:27406912
Email: lali@tju.edu.cn
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疲劳破坏
• 交变载荷下材料的 疲劳破坏
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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？
1
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3、构件表面加工质量的影响
不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极 限产生影响。一般说来，构件表面质量较好时， 其疲劳极限较高；反之，疲劳极限较低。
表面质量影响系数
不同表面质量试件的疲劳极限
表面磨光试件的疲劳极限 1
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除上述三种影响因素之外， 还有一些因素对构件的疲劳极限 也有影响，如腐蚀、高温等。这 些因素的影响，也可引用一些修 正系数予以考虑，其数值可以由 设计手册中查到
面尺寸的过渡处（如阶梯轴的轴肩处），要
采用半径尽可能大的过渡圆角。如果由于结
构上的原因，无法加大过渡圆角半径时，须
在直径较大的轴段上加开减荷槽或退刀槽。
在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常会
产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开
减荷槽，并将业务配推广合部轴径适当加粗。
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利用间隔环加大过渡圆 弧
破坏，交变应业务力推广最部 大值
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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
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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
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A
My I
Mr I
sin t
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，
应力作周期性业的务推变广部化。
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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
有效应力集中系数k
光滑试件的疲劳极限 1 同尺寸、 有应力集中试件的疲劳极限
1
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有效应力集中系数
业务推广部拉压时
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业务推广部 扭转时
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弯曲时
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2、构件尺寸的影响 试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低
尺寸影响系数
大尺寸光滑试件的疲劳极限 1 标准小尺寸光滑试件的疲劳极限 1
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。
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
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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 。
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§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 有原的因是由于载荷的大小、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。
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构件的疲劳极限 0 1 对于对称循环，若材料的疲劳极限为1
则构件的疲劳极 限
0 1
1
K
1
k
上式中Kσ（ Kτ ）是综合影响系数。在综合 影响系数中考虑的因素有构件形状，尺寸及
表面质量等
K
k
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§10-5 对称循环疲劳强度设计
疲劳强度条件也可以用安全系数
表示
n
0 1
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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
max Mmax
min
W 业务推广部
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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。
平均应力σm和应力幅 σa
m
1 2
(
m
ax
min )
a
1 2
(
m
Biblioteka Baidu
ax
min )
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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（静应力业务）推广+部σa（对称循环应力）
通常光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条
纹。称为疲劳业务裂推广纹部 前沿线。
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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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“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
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 。