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1、3-1 概 述,3-1 概 述,一、疲勞破壞,“疲勞破壞”。是循環(huán)應(yīng)力作用下零件的主要失效形式。,疲勞破壞的特點(diǎn),a) 疲勞斷裂時(shí)：受到的 低于 ，甚至低于 。,c）疲勞破壞是一個(gè)損傷累積的過(guò)程，需要時(shí)間。壽命可計(jì)算。,b) 斷口通常沒(méi)有顯著的塑性變形。不論是脆性材料，還是塑 性材料，均表現(xiàn)為脆性斷裂。更具突然性，更危險(xiǎn)。,d) 疲勞斷口分為兩個(gè)區(qū)：疲勞區(qū)和脆性斷裂區(qū)。,概述2,概 述,在應(yīng)力比為 的循環(huán)應(yīng)力作用下，應(yīng)力循 環(huán)N 次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力 。（變應(yīng)力的大小可按其最大應(yīng)力進(jìn)行比較）,兩個(gè)概念：,2）疲勞壽命N： 材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。,不同或N
2、不同時(shí)，疲勞極限 則不同。 在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，取 。,1）材料的疲勞極限,材料的疲勞特性用最大應(yīng)力max、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、循環(huán)特性r 通過(guò)曲線進(jìn)行描述,3-2 材料的疲勞特性,一、疲勞曲線（ - N 曲線）,應(yīng)力比 一定時(shí)，疲勞極限 與循環(huán)次數(shù)N 之間的關(guān)系曲線。,圖 在一定的r下疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線,Ni循環(huán)次數(shù)。,以ND為界，曲線分為兩個(gè)區(qū)：,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,與曲線的兩個(gè)區(qū)相對(duì)應(yīng)，疲勞設(shè)計(jì)分為：,1）無(wú)限壽命設(shè)計(jì)： N N0 時(shí)的設(shè)計(jì)。取 。,2）有限壽命設(shè)計(jì)： N N0 時(shí)的設(shè)計(jì)。取 。,設(shè)計(jì)中常用的是疲勞曲線上的 BD 段，其方程為：,則,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,式中,壽
3、命系數(shù)；,m 材料常數(shù),注：1）計(jì)算 時(shí)，如 N ，則取 N 。,2）工程中常用的是對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力（ =-1）下的疲勞極限，計(jì) 算時(shí)，只須把 和 換成 和 即可。,3）對(duì)于受切應(yīng)力的情況，則只需將各式中的 換成 即可。,4）當(dāng)N （ ）時(shí)，因N 較小，可按靜強(qiáng)度計(jì)算。,二、 極限應(yīng)力圖等壽命曲線,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,疲勞壽命N 一定時(shí)，疲勞極限 與應(yīng)力比 之間的關(guān)系線圖。,在工程應(yīng)用中，常 用直線來(lái)近似替代。 以-1 、0、s的值就可以繪制極限 應(yīng)力近似圖。,G,D,折線AGC即是零件材料的極限應(yīng)力曲線,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,說(shuō)明：,1、極限應(yīng)力線上的每個(gè)點(diǎn)，都表示了某個(gè)
4、應(yīng)力比下的極限應(yīng)力 。,2、極限應(yīng)力線上的點(diǎn)稱(chēng)為極限應(yīng)力點(diǎn)。三個(gè)特殊點(diǎn) A、D、C 分別為對(duì)稱(chēng)循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)、以及靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力點(diǎn)。,3、極限應(yīng)力圖的意義：,材料中發(fā)生的應(yīng)力如處于OAGC區(qū)域以內(nèi)，則表示不發(fā)生破壞 ；如在區(qū)域以外則表示一定要發(fā)生破壞；如正好在折線上則表 示工作應(yīng)力正好達(dá)到極限狀態(tài)。,4、對(duì)于切應(yīng)力，只需將各式中的 換成 即可。,5、對(duì)于高塑性鋼， 常將其極限應(yīng)力 線簡(jiǎn)化為折線 ABDG 。,AD段的方程為：,式中：,試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù),零件件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的極限應(yīng)力幅,零件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的極限平均應(yīng)力,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,6、對(duì)于低
5、塑性鋼或鑄鐵， 其極限應(yīng)力線可簡(jiǎn)化 為直線AC。,3）對(duì)于切應(yīng)力，只需將各式中的 換成 即可。,碳 鋼：,合金鋼：,DG方程：,極限應(yīng)力圖,疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,7、疲勞曲線的用途：在于根據(jù) 確定某個(gè)循環(huán)次數(shù) N 下的條件疲 勞極限 。,8、極限應(yīng)力圖的用途：在于根據(jù) 確定非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下的疲勞 極限以計(jì)算安全系數(shù)。,三、零件極限應(yīng)力圖的繪制,零件極限應(yīng)力圖的繪制,k- 零件的有效應(yīng)力集中系數(shù),K彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù),降低極限應(yīng)力幅,不影響平均應(yīng)力,零件的極限應(yīng)力圖,- 零件的尺寸系數(shù), - 零件的表面質(zhì)量系數(shù),q- 零件的強(qiáng)化系數(shù),極限應(yīng)力圖3,四、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,綜合影響系數(shù)
6、,試驗(yàn)證明：應(yīng)力集中、尺寸和表面質(zhì)量都只對(duì)應(yīng)力幅有影響，而對(duì)平均應(yīng)力沒(méi)有明顯的影響。（即對(duì)靜應(yīng)力沒(méi)有影響）,在計(jì)算中，上述三個(gè)系數(shù)都只計(jì)在應(yīng)力幅上，故可將三個(gè)系數(shù)組成一個(gè)綜合影響系數(shù)。,（一）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,零件極限應(yīng)力圖的繪制,計(jì)算零件的疲勞強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)首先求出零件危險(xiǎn)剖面上的工作應(yīng)力 和 。據(jù)此，在極限應(yīng)力圖中標(biāo)出工作應(yīng)力點(diǎn)M（ ， ）。再在零件的極限應(yīng)力線AGC上確定出相應(yīng)的極限應(yīng)力點(diǎn)M1，根據(jù)該極限應(yīng)力點(diǎn)表示的極限應(yīng)力和零件的工作應(yīng)力計(jì)算零件的安全系數(shù)。,零件工作應(yīng)力的增長(zhǎng)規(guī)律不同，則相應(yīng)的極限應(yīng)力點(diǎn)也不同。,典型的應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律通常有三種：,疲勞強(qiáng)度線AG的方程為：,
7、1、 C（常數(shù)）；,2、 ；,3、,式中： 、 為AG上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，即零件的極限應(yīng)力。,受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,1、r=C的情況,尋找一個(gè)其應(yīng)力比與零件工作應(yīng)力的應(yīng)力比相同的極限應(yīng)力值。,受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,影響疲勞強(qiáng)度的主要因素2,過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)引射線通過(guò)工作點(diǎn)，與極限應(yīng)力曲線交于M，在該射線上任何一個(gè)點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的應(yīng)力比。,受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,影響疲勞強(qiáng)度的主要因素3,M點(diǎn)疲勞強(qiáng)度,對(duì)于N點(diǎn)，可能發(fā)生屈服失效，按靜強(qiáng)度計(jì)算,注：1）應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律為 時(shí)，按應(yīng)力幅計(jì)算的安全系數(shù) 等與按最大應(yīng)力計(jì)算的安全系數(shù)。,2）如按圖解法求安全系數(shù)，則,3）如極
8、限應(yīng)力點(diǎn)落在OGC區(qū)域時(shí)，則需計(jì)算靜強(qiáng)度,受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,2、m=C的情況,需要找到一個(gè)其平均應(yīng)力與零件工作應(yīng)力的平均應(yīng)力相同的極限應(yīng)力。(安全系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)教材),受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,3、min=C的情況,安全系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)教材,注：對(duì)于有限壽命設(shè)計(jì)問(wèn)題，須將各式中的 和 換成 N 次循環(huán)下的條件疲勞極限 和 。,受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,4、受復(fù)合應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù),（1）塑性材料受彎扭復(fù)合應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù),式中： 、為單向恒幅循環(huán)應(yīng)力下的安全系數(shù)。,（2）低塑性和脆性材料受彎扭復(fù)合應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù),受恒幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,3-3受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí),3
9、-3 受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,本節(jié)只介紹規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法。,一、Miner 法則 疲勞損傷線性累積假說(shuō),由最大應(yīng)力分別為 、 、 的三個(gè)恒幅循環(huán)應(yīng)力構(gòu)成的規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力，如右圖所示。,壽命損傷率,非規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力,不穩(wěn)定變應(yīng)力,規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力,統(tǒng)計(jì)疲勞強(qiáng)度方法處理,疲勞損傷累積假說(shuō),受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)2,受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,Minger法則：在規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力中各應(yīng)力的作用下，損傷是獨(dú) 立進(jìn)行的，并且可以線性地累積成總損傷。當(dāng)各應(yīng)力的壽命損傷率 之和等于1時(shí)，則會(huì)發(fā)生疲勞破壞。,即：,上式即為Miner法則的數(shù)學(xué)表達(dá)式，亦即疲勞損傷線性累積假說(shuō)。,注：在計(jì)算時(shí)，對(duì)于小于 的應(yīng)力，可不考慮。,二、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),（簡(jiǎn)稱(chēng)等效應(yīng)力）,等效應(yīng)力的大小,等效循環(huán)次數(shù),受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)3,受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,用 表示等效應(yīng)力 的疲勞壽命。,損傷等效即為： 的壽命損傷率各應(yīng)力的壽命損傷率之和。,即：,由疲勞曲線方程可知：,代入上式得：,等效計(jì)算有兩種方法,等效應(yīng)力法,（等效方程）,受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí),受變幅循環(huán)應(yīng)力時(shí)零件的疲勞強(qiáng)度,等效循環(huán)次數(shù)法,首先人為選定 ，之后，將選定的 代入上式計(jì)算出,將上式求出的 代入疲勞曲線方程即可求出 下的條件疲勞極限,則可進(jìn)一步計(jì)算零件的安全系數(shù)。 （詳見(jiàn)教材）,則,（參考教材式3-3）,
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