第

16

章疲勞強度問題

本章主要研究：

循環應力與疲勞的概念

材料的疲勞強度

構件的疲勞強度與分析計算提高構件疲勞強度的措施胡耀增：工程力學1§1

引言

§2

循環應力及其類型§3S-N曲線與材料的疲勞極限§4影響構件疲勞極限的主要因素§5對稱循環應力下的疲勞強度計算§6累積損傷概念簡述胡耀增：工程力學2§1引言

循環應力

疲勞破壞及其特點胡耀增：工程力學3循環應力實例載荷

F

的大小循環變化,聯桿內應力隨之變化每個齒隨齒輪轉動循環受力，齒內應力循環變化胡耀增：工程力學4起落架因飛機起落而反復受載（載荷不變,軸轉動）胡耀增：工程力學5循環應力－隨時間循環變化的應力（也稱交變應力）循環應力的變化幅度，可能是恒定的,也可能是變化的循環應力恒幅循環應力變幅循環應力胡耀增：工程力學6疲勞破壞及其特點在循環應力作用下，材料或構件產生可見裂紋或完全斷裂的現象－稱為疲勞破壞，簡稱疲勞在循環應力作用下，如果應力足夠大，并經歷應力的多次循環后，構件將產生可見裂紋或完全斷裂疲勞破壞胡耀增：工程力學7疲勞破壞特點鋼拉伸疲勞斷裂

破壞時應力低于sb，甚至ss

即使是塑性材料，也呈現脆性斷裂

斷口通常呈現光滑與粗粒狀兩個區域斷疲勞破壞過程，可理解為裂紋萌生、逐漸擴展與最后斷裂的過程胡耀增：工程力學8§2循環應力及其類型

循環應力描述

循環應力類型胡耀增：工程力學9循環應力描述恒幅循環應力較常見，也是分析變幅循環應力問題的基礎兩種描述方式：最大應力smax與最小應力smin平均應力sm與應力幅sa胡耀增：工程力學10循環應力類型循環應力變化特點，影響材料與構件的疲勞強度－應力比或循環特征對稱循環應力脈動循環應力非對稱循環應力－所有

r

-1的循環應力胡耀增：工程力學11§3

S-N曲線與材料的疲勞極限

疲勞試驗S-N曲線與材料的疲勞極限胡耀增：工程力學12疲勞試驗旋轉彎曲疲勞試驗采用小尺寸（6~10mm）光滑標準試樣（為一等強梁）軸向拉壓疲勞試驗機胡耀增：工程力學13S-N曲線與材料的疲勞極限

S-N曲線

-

應力

S（s

或t）與相應應力循環數（或壽命）N的關系曲線

持久極限-

材料能經受無限次應力循環而不發生疲勞破壞的最大應力值，用

sr或tr表示，r－循環特征s/MPasbssN鋼sr－持久極限胡耀增：工程力學14N0－某指定壽命－材料疲勞極限或條件疲勞極限材料的持久極限與疲勞極限，統稱為材料的疲勞極限胡耀增：工程力學15§4影響構件疲勞極限的主要因素

構件外形的影響

構件橫截面尺寸的影響構件表面加工質量的影響胡耀增：工程力學16構件外形的影響應力集中促使疲勞裂紋的形成，對構件疲勞強度的影響很大－存在應力集中試樣的疲勞極限－不存在應力集中試樣的疲勞極限R愈小,Ks

愈大sb愈高，應力集中對sr的影響愈顯著

Ks－有效應力集中因數胡耀增：工程力學17應盡量減小應力集中，特別對于高強度材料構件增大圓角半徑減小相連桿段的橫向尺寸的差別將必要的孔與溝槽等配置在低應力區采用凹槽與卸荷糟等胡耀增：工程力學18構件橫截面尺寸的影響試驗：彎、扭疲勞極限隨構件橫截面尺寸增大而減小－標準試樣的疲勞極限－大尺寸試樣的疲勞極限d愈大,sr降低愈多sb愈高,sr降低愈多es

,et－尺寸因數胡耀增：工程力學19構件表面加工質量的影響最大應力發生在構件表層，構件表面又常存在各種缺陷，故構件表面加工質量與表層狀況對疲勞強度存在影響表面加工質量愈低,sr降低愈多；sb愈高，加工質量對sr的影響愈大

b

－表面質量因數對于重要構件,尤其存在應力集中的部位,應特別講究表面加工方法,愈采用高sb材料,愈重要提高構件表層材料的強度、改善表層應力狀況，例如滲碳、滲氮、高頻淬火、表層滾壓與噴丸等胡耀增：工程力學20§5對稱循環應力下構件的疲勞強度計算

對稱循環疲勞強度條件

例題胡耀增：工程力學21對稱循環疲勞強度條件構件疲勞極限與許用應力構件疲勞強度條件（軸）（拉壓桿與梁）構件疲勞極限構件疲勞許用應力nf－疲勞安全因數胡耀增：工程力學22smax,tmax－最大工作應力（名義應力）[s-1],[t-1]－對不同截面一般不同疲勞強度條件的另一種表示形式：胡耀增：工程力學23例題例

5-1

鉻鎳合金鋼軸，承受對稱循環交變彎矩，

Mmax=700N.m,校核疲勞強度。D=50mm，d=40mm,R=5mm,sb=1200MPa,s-1=480MPa,nf=1.6，表面精車加工。

解：1.工作應力計算危險截面：A-A胡耀增：工程力學242.確定影響因數3.校核疲勞強度胡耀增：工程力學25§6累積損傷概念簡介累積損傷概念邁因納定律胡耀增：工程力學26累積損傷概念汽車軸、飛機起落架等承受變幅循環應力，以最大峰值應力低于疲勞極限考慮其強度，過于保守累積損傷概念：當構件承受高于疲勞極限的應力時，每個應力循環將使構件受到損傷，而當損傷積累到一定程度時，構件將發生破壞胡耀增：