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1、,材料力学,15.1 概述*,15.2 固体材料的理论断裂强度和应力判据*,第十五章 材料的疲劳与断裂,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,15.5 构件的疲劳极限,15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,目录,轮轴表面A点的正应力,式中,称为应力幅,交变应力随时间作周期性变化的应力,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,疲劳失效在交变应力作用下发生的突然断裂现象,交变应力引起的破坏与静应力引起的破坏截然不同,疲 劳,实践表明：,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录, 40人死亡； 14人受伤； 直接经济损失631
2、万元。,1999年1月4日，我国重庆市綦（qi）江县 彩虹桥发生垮塌，造成：,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,力学问题:,大部队过桥时不能齐步走？ 人跑步时脚上的力量有多大？ 冲击载荷 与跑步的次数的关系？ 损伤累积与结构寿命,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,人跑步时脚上的力量有多大？,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,疲劳失效的特点：,2.即使塑性较好的材料
3、，断裂前也没有明显的塑性,变形，呈脆性断裂破坏；,1.构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然,断裂；,3.断口明显地分为光滑区和粗糙区。,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,疲劳失效过程：,产生微观裂纹（称为疲劳源或裂纹源）；,2.在微裂纹的尖端产生应力,1.在足够大的交变应力作用下，构件内的最大应力作,用处或缺陷处，沿最大切应力作用面形成滑移带，,3.随着交变应力继续作用，,集中，在交变应力的作用,下，微裂纹扩展，形成宏,观裂纹；,宏观裂纹扩展，最终构件,断裂。,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,疲劳失效实质：,疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在名义应力
4、低于抗拉强度（甚至低于屈服应力）的情况下，会突然发生断裂。,由于材料中裂纹的形成和扩展的结果,已有资料表明：承受交变应力构件的失效（如飞机、火车和机器）绝大部分是疲劳失效。,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,50年代起形成了固体力学的两个分支：,2.断裂力学研究材料中的宏观裂纹的扩展规律,1.损伤力学研究材料中的微观缺陷的产生和发展,的规律,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,强迫振动的梁,其任一点的应力随时间周期变化,j梁在静平衡位置的应力,max梁在最大位移时的应力,min 梁在最小位移时的应力,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,强迫振动的梁,其任一点的应力随时间周期
5、变化,一个应力循环重复变化一次的过程,循环次数应力重复变化的次数,周期完成一个应力循环所需要的时间,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,交变应力的循环特征（应力比）：,应力循环中的平均应力,应力循环中的应力幅,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,应力循环种类：,2.非对称循环,即：,1.对称循环,非对称循环 = 平均应力 + 对称循环,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,应力循环种类：,或,4.静应力交变应力的特例,3.脉冲循环,脉冲循环和静应力为非对称循环,15.3 材料的疲劳破坏特征及机理,目录,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,第15章 材料的疲劳与断裂,目录,在交变
6、应力作用下，构件内的最大应力小于屈服应力时就可能发生疲劳失效，因此，屈服应力或抗拉强度不能作为疲劳强度指标。,材料的疲劳强度指标必须由疲劳强度试验测定,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,试验表明：在某一的循环特性下，若最大应力不超过某一极限值，则材料可经受无限次应力循环而不发生疲劳。,通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r 时的疲劳极限（持久极限），用表示r。,疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标,疲劳极限与循环特性有关,对称循环时的疲劳极限最小,对称循环是交变应力中的最危险情况,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,疲劳极限的测定：,2.第一根试样承受max0.7b ；
7、。,通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,测定步骤：,1.准备610个d =710 mm光滑小试样；,3.逐步减小max，直到循环次数很大时，得到,-1=max。,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,疲劳极限的测定：,通常在纯弯曲变形下测定对称循环时的疲劳极限-1,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,以最大应力为纵坐标，循环次数(寿命)为横坐标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为应力寿命曲线或SN曲线。,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,常温试验结果表明：,若钢材经过107 次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。,钢材的疲劳极限经107次循环仍未发生疲劳的最
8、大,循环基数N0=107循环次数,应力,15.4 SN曲线及疲劳极限的测定,目录,15.5 构件的疲劳极限,第15章 材料的疲劳与断裂,目录,1构件外形的影响,对称循环下，有效应力集中系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 无应力集中的光滑试样的疲劳极限,或 有应力集中且尺寸与光滑试样相同的,试样的疲劳极限,15.5 构件的疲劳极限,目录,2构件尺寸的影响,对称循环下，尺寸系数定义为,拉压、弯曲：,扭转：,式中,或 光滑大试样的疲劳极限,或 光滑小试样的疲劳极限,15.5 构件的疲劳极限,目录,3构件表面质量的影响,对称循环下，表面质量系数定义为,式中,表面磨光试样的疲劳极限,光滑 小 试样的疲劳极限,15.5 构件的疲劳极限,目录,考虑上述各因素的影响，在对称循环下，构件的持久极限为,拉压、弯曲：,扭转：,15.5 构件的疲劳极限,目录,15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,第15章 材料的疲劳与断裂,目录,对称循环下，构件的疲劳强度条件为,式中,许用应力,构件的疲劳极限,n 安全因数,15.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法,目录,
