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1、第二章 疲劳强度模型S-N曲线 1、S-N曲线n材料的疲劳性能用作用的应力范围S与到破坏时的寿命N之间的关系描述，即S-N曲线。n寿命N定义为在给定应力比R下，恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。问题：如何得到S-N曲线？ 实验得到！疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里破 坏指的是裂纹萌生寿命。因此，破坏可以定义为：1）标准小尺寸试件断裂。对于高、中强度钢等脆性材料 ，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短 ，对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹萌生时尺度小，观 察困难，故这样定义是合理的。2）出现可见小裂纹，或有515应变降。对于延性较 好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶
2、段，不应当 计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察困难时，可以监测恒 幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹后，刚度 改变，应变也随之变化，故可用应变变化量来确定是否萌 生了裂纹。材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为710件），在给定的应力比R下，施加不同的应力范围S，进行疲 劳试验，记录相应的寿命N，即可得到图示S-N曲线。NS由图可知，在给定的应力比下，应力范围S越小，寿命 越长。当应力范围S小于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。由S-N曲线确定的，对应于寿命N的应力范围 ，称为寿 命为N循环的疲劳强度。寿命N趋于无穷大时所对应的应 力范围S，称为材料的疲劳极限。由于疲劳极限是由
3、试验确定的，试验又不可能一直做下去，故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷大一般被定 义为：钢材，107次循环，焊接件：2*106。2、S-N曲线的数学表达式NSm=A两边取对数， LogN +mLogS=LogA选取几个不同的应力范围平 ， ，进行n组疲劳试验，对各组实验数据应力范围循环次数两个参数： m，A假定 为某一概率分布 （一般为Weibull分布）存活率 则可求得存活率为p的，分别对应于 ， ， 的试验次数多 少， 假定应力范围水平下疲劳寿命N的分布为对数正态分布时，采用极大似然法拟合得到P-S-N曲线为其中m定值， 表示存活率为p时的正态分布 标准差个 对于船海工程，一般构件 主要
4、构件 n在实际设计或计算中，为了得到适合的S -N曲线，需要做实验吗？n可以查阅相关规范或资料，得到S-N曲线F2F2FF2总结：S-N曲线表征结构的抗疲劳能力，由 实验得到。实验中根据结构形式和载荷类型选 取S-N曲线，此时S-N曲线都是对应于一 定的概率水平的！3、平均应力的影响材料的疲劳性能，用作用应力S与到破坏时 的寿命N之间的关系描述。在疲劳载荷作用 下，最简单的载荷谱是恒幅循环应力。R=-1时，对称恒幅循环载荷控制下，试验 给出的应力寿命关系，是材料的基本疲劳 性能曲线。n本节讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。n如图所示，应力比R增大，表示循环平均应 力Sm增大。且应力幅Sa给定时
5、有nSm=(1+R)Sa/(1-R) n一般趋势n当Sa给定时，R增大，平均应力Sm也增大 。循环载荷中的拉伸部分增大，这对于疲 劳裂纹的萌生和扩展都是不利的，将使得 疲劳寿命降低。平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。n平均应力Sm=0时的S-N曲线是基本S-N曲线 。当Sm0，即拉伸平均应力作用时，S-N 曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命 下降，或者说在同样寿命下的疲劳强度降 低，对疲劳有不利的影响。SmS（拉）S（扭）n假定作用应力水平相同，拉压时高应力区 体积等于试件整个试验段的体积；弯曲情 形下的高应力区体积则要小得多。我们知 道疲劳破坏主要取决于作用应力的大小（ 外因）和
6、材料抵抗疲劳破坏的能力（内因 ）二者，即疲劳破坏通常发生在高应力区 或材料缺陷处。假如图中的作用的循环最 大应力Smax相等，因为拉压循环时高应力 区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引 发裂纹萌生的可能性也大。n所以，同样的应力水平作用下，拉压循环 载荷作用时的寿命比弯曲时短；或者说， 同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯 曲时低。n扭转时疲劳寿命降低，体积的影响不大， 需由不同应力状态下的破坏判据解释，在 此不作进一步讨论。 n2)尺寸效应n不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可以 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，高应力区域材料 体积就越大。疲劳发生在高应力区材料最
7、薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的 可能就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低 于小尺寸试件。或者说，在给定寿命N下， 大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应 力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。n3)表面光洁度n由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗 糙，将使局部应力集中的程度加大，裂纹 萌生寿命缩短。材料的基本S-N曲线是由精 磨后光洁度良好的标准试件测得的。n4) 表面处理n一般来说，疲劳裂纹总是起源于表面。为 了提高疲劳性能，除前述改善光洁度外， 常常采用各种方法在构件的高应力表面引 入压缩残余应力，以达到提高疲劳寿命的 目的。n若循环应力如图中1-2-3-4所示，平均应力 为Sm，则当引入压
8、缩残余应力Sres后，实 际循环应力水平是原1-2-3-4各应力与-Sres 的叠加，成为1-2-3-4，平均应力降为Sm ，疲劳性能将得到改善。n表面喷丸处理；零件冷挤压加工；在构件 表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命 的常用方法。材料强度越高，循环应力水 平越低，寿命越长，延寿效果越好。在有 应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸，效 果更好。n表面渗氮或渗碳处理，可以提高表面材料 的强度并在材料表面引入压缩残余应力， 这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有 利的。试验表明，渗氮或渗碳处理可使钢 材疲劳极限提高一倍。对于缺口试件，效 果更好。 n5) 环境和温度的影响n材料的S-N 曲线一般是在
9、室温、空气环境下 得到的。在诸如海水、酸碱溶液等腐蚀介 质环境下的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀介质 的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是 力学作用与化学作用的综合过程，其破坏 机理十分复杂。影响腐蚀疲劳的因素很多 ，一般有如下趋势：na）载荷循环频率的影响显著n无腐蚀环境作用时，在相当宽的频率范围 内（如200Hz以内），频率对材料S-N曲线 的影响不大。但在腐蚀环境中，随着频率 的降低，同样循环次数经历的时间增长， 腐蚀的不利作用有较充分的时间显示，使 疲劳性能下降的影响明显。nb）在腐蚀介质（如海水）中，半浸入状态 （或海水飞溅区）比完全浸入更不利。nc）耐腐蚀钢材，抗腐蚀疲劳的性能较好； 许多普通碳钢的疲劳极限则下降较多，甚 至因腐蚀环境而消失。nd）金属材料的疲劳极限一般是随温度的降 低而增加的。但随着温度的下降，材料的 断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦 出现裂纹，则易于发生失稳断裂。高温将 降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳 也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳 性能而引入的残余压应力，也会因温度升 高而消失。
