第14章 材料的疲劳与断裂(2015-1版)

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1、材料力学材料力学第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂14.1 概述概述14.2 固体材料的理论断裂强度和应力判据固体材料的理论断裂强度和应力判据*14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理14.4 S- -N曲线及疲劳极限的测定曲线及疲劳极限的测定14.5 构件的疲劳极限构件的疲劳极限14.6 基于疲劳极限的无限寿命设计法基于疲劳极限的无限寿命设计法第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂14.1 概概 述述一、疲劳的概念一、疲劳的概念二、疲劳破坏的实例二、疲劳破坏的实例14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一、一、疲劳的概念疲劳

2、的概念疲劳疲劳构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后构件在循环应力作用下经过一定的循环次数后形成的裂纹或发生的形成的裂纹或发生的断裂断裂过程过程14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理40人死亡人死亡；14人受伤；人受伤；直接经济损失直接经济损失631万元万元。 1999年年1月月4日，我国重庆市綦日，我国重庆市綦( (qi) )江县彩虹桥发江县彩虹桥发生垮塌，造成：生垮塌，造成：二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及

3、机理二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理二、二、疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例第十四章第十四章 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂14.3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一、疲劳破坏的机理一、疲劳破坏的机理二、交变应力的种类二、交变应力的种类14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理轮轴表面轮轴表面A点点的正应力的正应力式中式中称为称为应力幅应力幅FFAIyMA tdIM sin2 t sina A32

4、41 d( (t=0) )t a1342 aOtIMd2a 交变应力交变应力一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理疲劳失效疲劳失效 交变应力交变应力引起的破坏与引起的破坏与静应力静应力引起的破坏引起的破坏截然不同截然不同疲疲 劳劳实践表明：实践表明：一、一、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理在交变应力作用下发生的在交变应力作用下发生的突然断裂突然断裂现象现象14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理疲劳失效的特点：疲劳失效的特点： 2. .即使塑性较好的材料，断裂前也没有明

5、显的塑性即使塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性 变形，呈变形，呈脆性断裂破坏脆性断裂破坏； 1. .构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生构件内的最大应力小于屈服应力时，会发生突然突然 断裂断裂； 3. .断口明显地分为断口明显地分为光滑区光滑区和和粗糙区粗糙区。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理疲劳失效过程：疲劳失效过程： 微观裂纹微观裂纹( (称为称为疲劳源疲劳源或或裂纹源裂纹源) )； 1. .在在足够大足够大的交变应力作用下，构件内的的交变应力作用下，构件内的最大应力处最大应力处 或或缺陷处缺陷处，沿最大切应力作用面形

6、成滑移带，产生，沿最大切应力作用面形成滑移带，产生裂纹源裂纹源光滑区光滑区粗糙区粗糙区.裂纹尖端裂纹尖端裂纹裂纹 2. .在微裂纹的尖端产生在微裂纹的尖端产生应力应力 奇异奇异( (应力集中应力集中) )，在交变，在交变 应力的作用下，微裂纹扩应力的作用下，微裂纹扩 展，形成展，形成宏观裂纹宏观裂纹； 3. .随着交变应力继续作用，随着交变应力继续作用， 宏观裂纹扩展，最终宏观裂纹扩展，最终构件构件 断裂断裂。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理疲劳失效的实质：疲劳失效的实质： 疲劳失效是很危险的，因为构件中的裂纹很小，疲劳失效是很

7、危险的，因为构件中的裂纹很小，不易发现，在不易发现，在名义应力名义应力低于抗拉强度低于抗拉强度( (甚至低于屈服应甚至低于屈服应力力) )的情况下，会的情况下，会突然发生断裂突然发生断裂。 材料中裂纹的形成和扩展的结果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已有资料表明：承受交变应力构件的失效( (如飞机、如飞机、火车和机器火车和机器) )绝大部分是疲劳失效。绝大部分是疲劳失效。三、三、疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理 强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化 j梁在

8、静平衡位置时的应力梁在静平衡位置时的应力 max梁在最大位移时的应力梁在最大位移时的应力tP F静平衡位置静平衡位置最大位移位置最大位移位置最小位移位置最小位移位置 max minOt一个周期一个周期 jm a a min 梁在最小位移时的应力梁在最小位移时的应力四、交变应力四、交变应力的种类的种类14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理一个应力循环一个应力循环 循环次数循环次数 周期周期四、交变应力四、交变应力的种类的种类tP F静平衡位置静平衡位置最大位移位置最大位移位置最小位移位置最小位移位置 max minOt一个周期一个周期 jm a a 强迫振动的梁，其任一点

9、的应力随时间周期变化强迫振动的梁，其任一点的应力随时间周期变化重复变化一次的过程重复变化一次的过程应力重复变化的次数应力重复变化的次数完成一个应力循环所需要的时间完成一个应力循环所需要的时间14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理交变应力的交变应力的循环特征循环特征( (应力比应力比) )：应力循环中的应力循环中的平均应力平均应力：应力循环中的应力循环中的应力幅应力幅：maxmin r2minmaxm 2minmaxa 四、交变应力四、交变应力的种类的种类 max minOt一个周期一个周期 jm a a14. .3 材料的疲劳破坏特征及机理材料的疲劳破坏特征及机理 2.