疲劳与断裂第四章应变疲劳(1)
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应变疲劳性能S-N 曲线通常用于描述长寿命疲劳性能,即应力循环水平低,循环周次高的情况。
但许多工程构件在整个使用期间所经受的载荷循环数却并不多,而构件中的应力和应变水平却相对较高。
如飞机在起飞和降落时,相对于它在高空稳定飞行时(承受比较均匀的载荷),其载荷幅度的变化是很大的;压力容器也是这样,也有周期的升压和降压,这种运行状态虽然相对于整个机件的工作寿命是较短的,但因承受的负荷较大,即使在设计时的名义应力规定得只允许发生弹性变形,但在缺口处甚至在有微裂纹处,会因局部的应力集中,使应力超过材料的屈服强度,最终导致疲劳破坏。
这种在大应力低周次下的破坏,即谓之低周疲劳。
1.应变-疲劳寿命曲线和表达式表征低周疲劳裂纹形成阶段的疲劳性能的有应变-疲劳寿命曲线(即ε—N 曲线)和循环应力-应变曲线,它们都是由恒应变幅试验测定的,所以低周疲劳也就叫做应变疲劳。
应变-疲劳寿命曲线通常由一系列应变疲劳试验确定。
在进行疲劳试验时,保持总应变幅值2ε∆不变。
对各个试件用不同的应变幅值进行试验,直到试件破坏,记录各次试验的疲劳寿命f N ,以应变幅2εε∆=a 为纵坐标,以f N 2为横坐标,在双对数坐标系中画出)2log()2log(f N -∆ε曲线,即得到应变-疲劳寿命曲线,如图1所示。
图1 总应变幅值与疲劳寿命的关系示意图 f N 为恒应变幅作用下循环至破坏的循环次数,f N 2则为循环至破坏的应变反向次数,每循环有二次应变反向。
在总应变幅2ε∆中,包括弹性应变分量2e ε∆和塑性应变分量2p ε∆。
Manson 和Coffin 分析总结了应变疲劳的实验结果,给出了下列应变-疲劳寿命公式: 'f εE f 'σ 222p e εεε∆+∆=∆ 2eε∆c2p ε∆b t N 2 )(2对数f Nc f f b f f p e N N E)2()2(222'+'=∆+∆=∆εσεεε 式中,'f σ是疲劳强度系数,其值约等于静态拉伸断裂强度f σ;b 是疲劳强度指数;'f ε是疲劳塑性系数;c 是疲劳塑性指数。
疲劳与断裂课程,,学习指南疲劳与断裂课程学习指南一、教材教育部面向21 世纪课程教材:陈传尧编著,疲劳与断裂,华中科技大学出版社,2002 年。
二、辅助教材王忠光译,S. Suresh(美)著,材料的疲劳,北京:国防工业出版社,1999年第二版郑朝云、张式程译,D. 拉达伊(德)著,焊接结构疲劳强度,北京:机械工业出版社,1994 年第一版熊俊江著,疲劳断裂可靠性工程学,北京:国防工业出版社,2008 年第一版三、教学内容疲劳与断裂课程共分10 章。
第一章绪论;第二、三和四章介绍疲劳裂纹萌生及其研究方法,包括高周应力疲劳和低周应变疲劳,以及疲劳问题研究的统计学基础;第五、六和七章介绍弹塑性断裂力学基础,包括断裂扩展判据、断裂控制设计方法,以及工程常见的表面裂纹的应力强度因子;第八、九和十章介绍疲劳裂纹扩展的研究和预测方法。
各章主要内容如下。
第一章绪论,介绍疲劳的基本概念,疲劳断裂破坏事故的严重性,疲劳设计的主要方法和发展历史,疲劳破坏的特征和机理,疲劳断裂问题研究的一般方法。
第二章应力疲劳,介绍应力疲劳的基本概念,S-N 曲线及其近似估计,平均应力、载荷形式、尺寸效应、结构件表面光洁度、表面处理,以及温度与环境等对材料疲劳性能的影响,在给定寿命下循环应力幅与平均应力之间的关系,等疲劳寿命图,考虑缺口的疲劳问题,Miner 线性累积损伤理论,变幅载荷谱下的疲劳问题,简化雨流循环计数法,随机载荷谱下的疲劳问题。
第三章疲劳应用统计学基础,介绍疲劳数据的分散性,描述疲劳寿命分布的两种主要分布函数:正态分布和威布尔分布,二元线性回归方法,S-N 曲线和p-S-N 曲线的拟合,以及利用回归方程进行寿命问题的统计推断。
第四章应变疲劳,介绍应变疲劳的基本概念,单调的应力应变响应及其描述,滞后环,循环应力应变响应及其描述,材料的记忆特性,变幅循环应力应变响应计算,应变寿命曲线与平均应力影响,考虑缺口的应变寿命分析。