疲劳和断裂第二讲.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 应力疲劳,2.1 S,-,N,曲线,2.2,平均应力的影响,2.3,影响疲劳性能的若干因素,2.4,缺口疲劳,2.5,变幅载荷谱下的疲劳寿命,2.6,随机谱与循环计数法,返回主目录,1,应力疲劳,:S,max,10,4,，,也称,高周疲劳,。,应变疲劳,:S,max,S,y,，,N,f,10,3,-,10,4,。,S,3,4,5,6,7,Lg N,S,f,3),三参数式,(S-S,f,),m,.N=C,6,3.S-N,曲线的近似估计,斜线,OA+,水平线,AB,R=-1,，,旋转弯曲时有：,S,f(bending),=0.5S,u,(S,u,1400MPa),1),疲劳极限,S,f,与极限强度,S,u,之关系,500,500,1000,1500,200,800,0,A,B,旋,转,弯,曲,疲,劳,极,限,S,MPa,f,材料极限强度,S MPa,u,S/S=0.5,f,u,S=700,f,常用金属材料数据图,7,轴向拉压载荷作用下的疲劳极限,可估计为：,S,f(tension),=0.7S,f(benting),=0.35S,u,实验在,(0.3-0.45)S,u,之间,高强脆性材料，极限强度,S,u,取为,b,；,延性材料,S,u,取为,ys,。,扭转载荷作用下的疲劳极限,可估计为：,S,f(torsion),=0.577S,f(benting),=0.29S,u,实验在,(0.25-0.3)S,u,之间,注意，,不同载荷形式下的,S,f,和,S-N,曲线是不同的,。,8,故由,S-N,曲线有：,(0.9Su),m,10,3,=(kSu),m,10,6,=C,参数为：,m=3/,lg,(0.9/k),；,C=(0.9S,u,),m,10,3,假定,1,：寿命,N=10,3,时，有：,S,10,3,=0.9S,u,；,高周疲劳：,N10,3,。,已知,S,f,和,S,u,S-N,曲线用,S,m,.N=C,表达。,假定,2,：寿命,N=10,6,时，,S,10,6,=S,f,=kS,u,如弯曲时，,k=0.5,。,2),无实验数据时,S-N,曲线的估计,(,供初步设计参考,),Lg S,3,4,5,6,7,Lg N,1,2,0,S,u,S,f,9,S,t,R=-1,R=-1/3,R=0,Sm,R,，,S,m,；,且有：,S,m,=(1+R)S,a,/(1-R),R,的影响,S,m,的影响,S,m,0,对疲劳有不利的影响；,S,m,0,压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。,喷丸、挤压和预应变,残余压应力,提高寿命。,2.2,平均应力的影响,1),一般趋势,S,a,不变,，,R,or S,m,；,N,；,N,不变,，,R,or S,m,；,S,N,;,S,N,Sm0,a,R,增大,10,2,）,S,a,-S,m,关系,S,S,-1,a,S,u,S,m,N=10,4,N=10,7,Sa/S-1,1,0 1 Sm/Su,N=10,7,Haigh,图,如图，在等寿命线上，,S,m,，,S,a,；,S,m,S,u,。,Haigh,图,:(,无量纲形式,),N=10,7,当,S,m,=0,时，,S,a,=S,-1,；,当,S,a,=0,时，,S,m,=S,u,。,Gerber,Goodman,对于其他给定的,N,，,只需将,S,-1,换成,S,a(R=-1),即可。,利用上述关系，已知,S,u,和基本,S-N,曲线，即可估计不同,S,m,下的,S,a,或,S,N,。,Gerber,：(S,a,/S,-1,)+(S,m,/S,u,),2,=1,Goodman：(S,a,/S,-1,)+(S,m,/S,u,)=1,11,2.3,影响疲劳性能的若干因素,1.,载荷形式的影响,S,f,（,弯）,S,f,（,拉）,S,max,S,max,d,d,D,D,弯 曲,拉 伸,载荷、尺寸不同时的,高应力区域体积,拉,弯,拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。,疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵抗疲劳破坏的能力。,12,同样可用高应力区体积的不同来解释。,应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域体积越大。,疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。,2.,尺寸效应,尺寸效应可以用一个修正因子,C,size,表达为：,C,size,=1.189d,-0.097,8mm,d,250mm,当直径,d8mm,时，,C,size,=1,。,尺寸修正后的疲劳极限为：,S,f,=C,size,S,f,.,尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。,13,3.,表面光洁度的影响,由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。,400,700,1000,1300,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,表面光洁度系数,抗拉强度,(Mpa),镜面抛光,精磨,热轧,锻造,盐水腐蚀,机械加工,材料强度越高，,光洁度的影响越大；,应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响越大。,加工时的划痕、碰伤,(,尤其,在,孔、台阶等高应力区,),，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。,14,材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，效果越好。在缺口应力集中处采用,效果更好。,4.,表面处理的影响,残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。,疲劳裂纹常起源于表面。,在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。,表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等；都可在表面引入残余压应力,提高寿命。,温度、载荷、使用时间等因素可能引起应力松弛，例如，钢在,350,C,以上,铝在,150,C,以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。,15,镀铬或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。,材料强度越高，寿命越长，镀层越厚，影响越大；,10,4,10,5,10,6,10,7,N,S,500,400,300,200,150,镀镍,+,喷丸,喷丸,+,镀镍,基材,镀镍,镀镍、喷丸对疲劳性能的影响,热轧或锻造，会使表面脱碳，强度下降并在表面引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低,50%,甚至更多。材料强度越高，影响越大。,渗碳或渗氮，可提高表层材料强度并引入残余压应力，使钢材疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。,镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。,镀前渗氮，镀后喷丸等，可以减小其不利影响。,16,Care should be taken when using the idea of an endurance limit,a “safe stress”below which fatigue will not occur.Only plain carbon and low-alloy steel exhibit this property,and it may disappear due to high temperatures,corrosive environments,and periodic overloads.,用持久极限作为低于它将不出现疲劳的安全应力时,必须要注意。只有普通碳钢和低合金钢才有上述特性，且这一特性可能由于高温、腐蚀环境和周期超载而消失。,17,As a general trend the following factors will reduce the value of endurance limit:,Tensile mean stress,Large section size,Rough surface finish,Chrome and nickel plating,Decarborization,(due to forging and hot rolling),拉伸平均应力,大截面尺寸,表面粗造,镀铬和镀镍,锻造或热轧脱碳,18,The following factors tend to increase the endurance limit:,Nitriding,hardening,carbonization,shot peening,Clod rolling.,渗氮,硬化处理,碳化（渗碳）,喷丸,冷轧,19,2.4,缺口疲劳,(notch effect),实际零构件 缺口 应力集中 疲劳性能下降。,Almost all machine components and structural members contain some form geometrical or microstructural discontinuities.These discontinuities,or stress concentrations,often result in maximum local stresses at the discontinuity which are many times greater than the nominal stress of the members.In ideally elastic members the ratio of these stresses is designated as K,t,the theoretical stress concentration factor.,20,In the stress-life approach the effect of notches is accounted for by the fatigue notch factor,K,f,which is the ratio between the unnotched fatigue strength of a member and the corresponding notched fatigue strength at a given life.In general,the fatigue notch factor,K,f,is smaller then K,t,.,在应力寿命法中，缺口的影响是用疲劳缺口系数,K,f,表示的，,K,f,是在给定寿命下，无缺口构件疲劳强度与相应的缺口件疲劳强度之比。一般地说，疲劳缺口系数,K,f,小于理论弹性应力集中系数,K,t,。,21,2.5,变幅载荷谱下的疲劳寿命,variable amplitude loading,Up to now,the discussion about fatigue behavior has dealt with constant amplitude loading.In contrast,most service loading histories have a variable amplitude and can be quite complex.,到目前为止，关于疲劳性能的讨论处理的都是恒幅载荷。然而事实上，大多数使用载荷历程具有可变的幅度且可能相当复杂。,22,1.,变幅载荷谱,典型载荷块,：“,100,起落”，“万公里”，“年”等。,总谱是典型块的重复,。,S,N,(,起落次数,),100,200,某飞机主轮毂实测载荷谱,滑行,滑行,滑行,拐弯,拐弯,着陆,着陆,载荷谱分实测谱和设计谱。,设计寿命期内的载荷总谱,。,S,S,1,n,3,S,2,S,3,n,2,n,1,0,n,设计载荷谱,23,2.Miner,线性累积损伤理论,若构件在某恒幅应力水平,S,作用下，循环至破坏的寿命为,N,，,则循环至,n,次时的损伤定义为：,D=,n,/,N,若,n,=0,则,D=0,，,构件未受损伤；,n,D,0,n,1,D,1,D,随循环数,n,线性增长：,N,1,若,n,=,N,，则,D=1,，,发生疲劳破坏。,疲劳破坏判据为：,D=1,D,i,=,n,i,/,N,i,24,Miner,累积损伤理论是线性的,；,损伤和,D,与载荷,S,i,的作用次序无关。,n,i,是在,S,i,作用下的循环次数，,由载荷谱给出,；,N,i,是在,S,i,下循环到破坏的寿命，,由,S,-,N,曲线确定,。,若构件在,k,个应力水平,S,i,作用下，各经受,n,i,次循环，总损伤为：,(,i,=1,2,.,.,.k,),D,D,n,N,i,k,i,i,=,=,1,Miner,线性,累积损伤理论,的,破坏准则为：,D,n,N,i,i,=,=,1,25,A,0,1,D,n,N,2,N,1,B,D,1,D,2,n,1,n,2,线性,累积损伤理论与,载荷的作用次序无关。,D,n,N,i,i,=,=,1,1,1,2,2,N,n,N,n,D,+,=,=1,2,2,1,1,N,n,N,n,D,+,=,=1,A,0,1,D,n,N,2,N,1,B,D,1,D,2,n,1,n,2,26,3.Miner,理论的应用,变幅载荷下，应用,Miner,理论，可解决二类问题：,已知设计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。,已知一典型周期内的应力块谱，估算使用寿命。,利用,Miner,理论进行疲劳分析的一般步骤为：,确定载荷谱，选取拟用的应力水平；,选用适合构件使用的,S-N,曲线；,计算在应力水平,S,i,下循环,n,i,次的损伤：,D,i,=n,i,/N,i,；,计算总损伤,D=,n,i,/N,i,；,若,D1,，,则应降低应力水平或缩短使用寿命。,27,设,由使用经验知,构件在,B,谱下的寿命为,N,B,，,则：,4.,相对,Miner,理论,（,Walter Schutz，1972）,Miner,理论是经验破坏准则。事实上应为：,=,Q,Q,与载荷谱型、作用次序及材料分散性有关。,相对,Miner,理论取消假定,D=1，,由,已有,经验确定,Q。,待求的另一相似构件,在,A,谱下的寿命为,N,A,，,又有：,28,使用条件,：,1.是构件相似，主要是疲劳破坏发生的高应力区,几何相似；,2.载荷谱相似，主要是载荷谱型（次序）相似，,载荷大小可以不同。,N,Q,n,N,N,n,N,n,N,A,A,A,B,B,A,=,=,(,),(,/,),/,(,/,),若,A,谱相似于,B,谱，则假定,Q,A,=Q,B,，,可得：,许多,改进设计，,可以,借鉴过去原型,的,使用经验；间接考虑了,载荷谱型、作用次序及材料分散性,的,影响；,故,相对,Miner,理论预测精度好，应用广泛,。,29,变幅载荷疲劳分析的方法,:,1),已知典型周期内的应力谱，估算使用寿命,l,。,典型应力谱,(S,i,n,i,),判据,l,D=1,S-N,曲线,N,i,=C/S,m,D,i,=,n,i,/,N,i,D,=,S,n,i,/,N,i,寿命,l,=1/D,2),已知应力谱型和寿命，估计可用应力水平。,应力谱型,(S,i,？,n,i,),判据,D=1,S-N,曲线,D,i,=,n,i,/,N,i,D,=,S,n,i,/,N,i,N,i,=C/S,m,S=S,i,yes,调整,S,i,，重算,no,假设,S,i,30,The linear damage rule has two main shortcomings.First,it does not consider sequence effects,the theory predicts that the damage caused by a stress cycle is independent of where it occurs in the load history.Second,the linear damage rule is amplitude independent.This last trend does not correspond to observed behavior.,线性损伤理论有二个主要缺点。一是没有考虑次序影响，某应力循环引起的损伤与该循环在载荷历程中的位置无关；二是线性损伤理论与载荷幅度无关，后者与实验观察并不相符。,31,2.6,随机谱与循环计数法,恒幅载荷,随机载荷谱？,变幅载荷,Miner,计数法,载荷,0,t,正变程,负变程,峰,谷,1.,谱及若干定义,载荷,：,力、应力,位移等。,变程,：,相邻峰、谷点载荷值之差。有正、负变程,反向点：峰或谷,斜率改变符号,之处。,32,To predict the life of a component subjected to a variable load history,it is necessary to reduce the complex history into a number of events which can be compared to the available constant amplitude test data.This process of reducing a complex load history into a number of constant amplitude events is termed cycle counting.,为预测承受变幅载荷历程构件的寿命，需要将复杂历程简化为一些与可用恒幅试验数据相比的事件。这一将复杂载荷历程简化为一些恒幅事件的过程，称为循环计数。,33,S,t,0,典型谱段,适于以典型载荷谱段表示的重复历程。,2.,简化雨流计数法（,rainflow counting),雨流计数法,要求典型段从,最大峰或谷处起止。,0,1,1,2,2,雨流计数典型段,不失一般性。,34,简化雨流计数方法：,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,A,0,2,4,-2,-4,t,S,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,A,0,2,4,-2,-4,S,第一次雨流,B,C,E,F,G,H,I,J,E,0,2,4,-2,-4,S,B,第二次雨流,F,G,I,J,0,2,4,-2,-4,第三次雨流,F,I,谱转,90,，雨滴下流。若无阻挡，则反向，流至端点。,记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出,S,S,m,。,删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。,35,简化雨流计数结果：,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,A,0,2,4,-2,-4,S,第一次雨流,B,C,E,F,G,H,I,J,E,0,2,4,-2,-4,S,B,第二次雨流,F,G,I,J,0,2,4,-2,-4,第三次雨流,F,I,雨流计数结果,循环,变程,均值,EHE,7,0.5,BCB,4,1,ADA,9,0.5,FGF,3,-0.5,IJI,2,-1,雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。,典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。,36,若转换时,R,不变，,N1,、,N2,可用相同的,S-N,曲线,S,m,N=C,表示时，,等损伤转换条件,为：,n,2,=n,1,(N,2,/N,1,)=n,1,(S,1,/S,2,),m,.,4.,不同载荷间的转换,计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级？,不同载荷间转换的原则,:,损伤等效,。,将,S,1,下循环,n,1,次的载荷，转换成,S,2,下循环,n,2,次，,等损伤转换条件,为：,n,1,/N,1,=n,2,/N,2,或,n,2,=n,1,(N,2,/N,1,),N1,、,N2,分别为在,(S,1,R,1,),和,(S,2,R,2,),下的寿命。,37,小 结,1),应力疲劳是弹性应力控制下的长寿命疲劳。,（,S,max,S,y,N,f,10,3-4,次）,2)S-N,曲线描述材料的疲劳性能。,R=-1,时的,S-N,曲线是基本,S-N,曲线。,S-N,曲线：,S,m,N=C,3)Goodman,直线反映平均应力或应力比的影响；,(Sa/Sa,(R=-1),)+(Sm/Su)=1 (,等寿命直线,),拉伸平均应力有害。,喷丸、冷挤压引入残余压应力可改善疲劳性能。,38,7),随机谱可用计数法计数。转换成变幅块谱。,雨流法是典型谱二参数全循环计数法。,6)Miner,理论可用于变幅载荷下的寿命估算，,Miner,理论：,D=,D,i,=,(n,i,/N,i,)=1,相对,Miner,理论：,N,A,=N,B,(n/N),B,/,(n/N),A,相对,Miner,理论估算精度更好。,5),缺口应力集中使疲劳强度降低，寿命缩短。,高强材料，尖缺口，影响更大。,4),由疲劳极限控制无限寿命设计，,即：,S,a,or S,max,S,f,。,39,恒幅疲劳,应力比,R,应力幅,S,a,已知材料的基本,S-N,曲线,R=,-,1,Yes,S,a,S,-,1,S,m,=(1+R)/(1-R)S,a,No,N,f,Yes,No,求寿命,N,f,=C/S,a,由,Goodman,直线：,(S,a,/S,-,1,)+(S,m,/S,u,)=1,求,S,a,(R=-1),疲劳裂纹萌生寿命分析：,随机载荷,计数法,Miner,理论,D,n,N,i,i,=,=,1,变幅载荷,40,