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1、1,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,2,应力疲劳: Smax104， 也称高周疲劳。应变疲劳: SmaxSy， Nf103-104。,3) 三参数式 (S-Sf)m.N=C,7,3. S-N曲线的近似估计,斜线OA+水平线ABR=-1，旋转弯曲时有： Sf(bending)=0.5Su (Su 1400MPa),1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系,8,轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为： Sf(tension)=0.7Sf(benting)
2、=0.35Su 实验在(0.3-0.45)Su之间,高强脆性材料，极限强度Su取为 b ； 延性材料, Su取为 ys。,扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为： Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 实验在(0.25-0.3)Su之间,注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的。,9,故由S-N曲线有： (0.9Su)m103=(kSu)m106 =C 参数为： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m103,假定1：寿命 N=103时，有： S103=0.9Su； 高周疲劳：N103。,已知Sf 和 Su, S-N曲线用 Sm.N=C 表达。,假
3、定2：寿命N=106时， S106=Sf=kSu, 如弯曲时，k=0.5。,10,R，Sm；且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影响Sm的影响,Sm0, 对疲劳有不利的影响；Sm0, 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,Sa不变，R or Sm；N ；N不变，R or Sm；SN ;,11,2） Sa-Sm关系,如图，在等寿命线上， Sm，Sa； SmSu。,Haigh图: (无量纲形式)N=107, 当Sm=0时，Sa=S-1； 当Sa=0时，Sm=Su。,对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(R=-1
4、)即可。利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计不同Sm下的Sa 或SN。,Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=1,12,2.3 影响疲劳性能的若干因素,1. 载荷形式的影响,Sf（弯）Sf（拉）,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。,13,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
5、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Csize表达为： Csize=1.189d-0.097 8mmd250mm 当直径d8mm时，Csize=1。尺寸修正后的疲劳极限为： Sf= CsizeSf. 尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。,14,3. 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。,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。,15,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
6、,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350C以上, 铝在150C以上，就可能出现应力松弛，影响疲劳寿命。,16,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；,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
7、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。,17,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 hi
8、gh 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。,18,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
9、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,19,The following factors tend to increase the endurance limit: Nitriding, hardeningcarbonization, shot peening,Clod rolling.,渗氮 硬化处理碳化（渗碳） 喷丸冷轧,20,2.4 缺口疲劳 (notch effect),Almost all machine components and
10、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
11、of these stresses is designated as Kt , the theoretical stress concentration factor.,21,In the stress-life approach the effect of notches is accounted for by the fatigue notch factor, Kf , which is the ratio between the unnotched fatigue strength of a member and the corresponding notched fatigue str
12、ength at a given life. In general, the fatigue notch factor, Kf , is smaller then Kt .,在应力寿命法中，缺口的影响是用疲劳缺口系数Kf 表示的， Kf 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Kf 小于理论弹性应力集中系数Kt 。,22,2.5 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.,
