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类型第二章-疲劳强度模型和S-N曲线课件.ppt

  • 上传人(卖家):晟晟文业
  • 文档编号:4710930
  • 上传时间:2023-01-03
  • 格式:PPT
  • 页数:33
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    关 键  词:
    第二 疲劳强度 模型 曲线 课件
    资源描述:

    1、第二章第二章 疲劳强度模型疲劳强度模型S-N曲线曲线 1、S-N曲线 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。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

    2、段扩展阶段,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。由于疲劳极限是由试验确定

    3、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1S2SnS1SS14S13S12S11N,N,N,NS1iN2SS24S23S22S21N,N,N,NS2iN3SS34S33S32S31N,N,N,NS3iN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S1iN,S2iN Nf pdNN

    4、fNp1S2SnSpnp3p2p1N.N,N,NpnnP33p22p11N,S,.,S,N,N,S,N,S 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 mlgSlgAlgNpplgAplgA mN,S,.,S,N,N,S,N,Snn332211lgAlgAppulgAlgAn,lgAm,N,Siiin1iilgAn1lgAn1i22ilgAlgAnlgA1-n1对于船海工程,一般构件)0.2u(72.97pp 00mlgS2lgAlgNlgA主要构件)0.3u(99.87pp 00mlgS3l

    5、gAlgNlgA 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?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。本节讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。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给定时有 Sm=(

    6、1+R)Sa/(1-R)一般趋势 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。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)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)和材料抵抗疲劳破坏的能力(内因)二者,即

    7、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。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。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。2)尺寸效应 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

    8、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。3)表面光洁度 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。4)表面处理 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。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

    9、应力降为Sm,疲劳性能将得到改善。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。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。5)环境和温度的影响 材料的S-N 曲线一般是在室温、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

    10、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:a)载荷循环频率的影响显著 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。b)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。c)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。d)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。

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