材料的疲劳特性25页PPT

疲劳曲线
疲劳曲线是描述材料在循环载荷作用下的疲劳寿命与应力幅的关系曲 线
疲劳曲线的形状取决于材料的疲劳性能和载荷条件
疲劳曲线可以分为线性疲劳曲线和非线性疲劳曲线
疲劳曲线的斜率反映了材料的疲劳寿命与应力幅的关系，斜率越大， 疲劳寿命越长
疲劳强度
疲劳强度是指材 料在循环载荷作 用下抵抗破坏的 能力
疲劳强度与材料 的力学性能、微 观结构、环境因 素等有关
采用强化处理技术
热处理：通过加 热和冷却，改变 材料的微观结构， 提高其强度和韧 性
表面处理：如喷 丸、喷砂等，提 高表面硬度和耐 磨性
复合材料：将两 种或多种材料结 合，提高材料的 综合性能
形状优化：通过 改变材料的形状 和尺寸，提高其 抗疲劳性能
降低应力集中与尺寸效应的影响
优化设计：通过优化设计降低应力集中，如采用圆角、倒角等设计 材料选择：选择具有良好抗疲劳性能的材料，如高强度钢、铝合金等 热处理：通过热处理提高材料的抗疲劳性能，如淬火、回火等 表面处理：通过表面处理提高材料的抗疲劳性能，如喷丸、滚压等
疲劳数据处理：通过分析疲劳试验数据来评估材料的疲劳 性能
疲劳数据的处理与分析
数据采集：通过疲劳试验获取数据
数据可视化：使用图表展示分析结果， 如折线图、柱状图等
数据预处理：去除异常值、填补缺失 值等
结果解释：根据分析结果，解释材料 的疲劳性能和失效原因
数据分析：使用统计方法分析数据，如 方差分析、回归分析等
07
疲劳试验与数据处理
疲劳试验的种类与方法
静态疲劳试验：通过施加恒定载荷来测试材料的疲劳性能
动态疲劳试验：通过施加周期性载荷来测试材料的疲劳性 能
疲劳寿命试验：通过测试材料的疲劳寿命来评估其疲劳性 能

机械零件的抗断裂强度
通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是 导致低应力断裂的内在原因。
对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方 面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统 的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。 断裂力学——是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和 变形规律的学科。准确的说，上述裂纹是指宏观裂纹，即用肉眼或低倍 显微镜能看得见的裂纹。工程中常认为裂纹尺寸大于0.1mm,就称为宏 观裂纹。断裂力学建立了构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹 扩展能力三者之间的定量关系。
z r s
m s rN N s rm N 0 C
s rN s r （N N D )
有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：
s rN s
m N0 r Nr
K Ns r
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。KN寿命系数.
三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）
材料的疲劳特性
不同应力比时材料的疲劳极限也不相同，可用极限应力线图表示。
第三章 机械零件的强度
§3-1 材料的疲劳特性
§3-2 机械零件的疲劳强度计算 §3-3 机械零件的抗断裂强度 §3-4 机械零件的接触强度
材料的疲劳特性
二、 s－N疲劳曲线 疲劳极限：应力循环特性r一定时，应力经 过N次循环而材料不发生疲劳破坏的最大应 力。 r一定时，极限应力与应力循环次数的关系 曲线称为疲劳曲线。
二、 材料的疲劳曲线
材料的疲劳特性
材料的疲劳特性
疲劳曲线
机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线的 CD段，可用下式描述：
m s rN N C ( NC N ND ) D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着 无限寿命区其方程为：

例如：紧螺栓联接的螺栓 承受轴向变载荷时
min m a 常数
m a min
两
OGEF区：疲劳强度区
个
区
域
SEF区：静强度区
其安全系数见有关公式．
G E
F
r m ax ra rm
r max S
18
2、复合稳定循环变应力的安全系数
例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应 力状态下工作。
安全系数法
许用的安全系数
危险截面处 的安全系数
S S
1. 单向稳定变应力的安全系数 ⑴当试件受对称循环应力作用时
①对于试件，安全系数为：
机械零件受单向应力，是 指其只承受单向正应力或单向 切应力。
S
1 a
或
S
1 a
②对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为：
S
两
OAE区：疲劳强度区
个
区
域
OSE区：静强度区
其安全系数见公式。
r m ax ra rm r max S
16
②σm=常数的情况 （例如：振动着的弹簧）
H
两
OAEH区：疲劳强度区
个
区
域
SEH区：静强度区
其安全系数见见公式。
r m ax ra rm
r max S
17
③σmin=常数的情况
☆疲劳失效的特点
⑴工作应力值较低；
⑵疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂；
⑶疲劳断口特征：
贝壳纹
2
☆变应力的种类
稳定循环
变
变应力
应
力
的
种
类
非稳定循

材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。

热疲劳
由于温度变化引起的热应力导致的疲劳。
疲劳的机理
01
02
03
滑移与位错
在循环应力作用下，金属 内部的滑移面和位错发生 移动，逐渐形成微裂纹。
微裂纹扩展
微裂纹在应力作用下逐渐 扩展，最终导致宏观断裂 。
疲劳断口形貌
疲劳断口通常呈现脆性断 裂的特征，如光滑表面和 放射区。
PART 02
金属的疲劳性能
随机疲劳测试
模拟实际工况中的随机载荷对金属进行疲劳测 试。
断裂力学测试
通过测量裂纹扩展速率来评估金属的疲劳性能。
疲劳数据的处理与评估
1 2
数据整理
对实验数据进行整理，绘制疲劳曲线，分析金属 的S-N曲线。
疲劳极限确定
根据实验结果确定金属的疲劳极限，即金属在一 定循环次数下不发生疲劳断裂的最大应力。
环境因素的影响
•·
在高温环境下，金属材料容易发生蠕变和松弛，导致疲劳强度下降；在腐蚀介质中，金属表面容易发 生腐蚀，产生腐蚀疲劳。因此，在高温或腐蚀环境下工作的金属结构需要进行特殊处理或选择耐腐蚀 材料。
温度的影响
显著影响
温度对金属的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的脆性增加，可能导致疲劳强度下降；而在高温环境下，金属 材料的抗蠕变性能降低，也会影响疲劳性能。
高速列车车轮的疲劳分析
总结词
高速列车车轮在频繁的制动和加速过程中承受着交变 载荷，对其疲劳性能的分析是保证列车安全运行的关 键。
详细描述
高速列车车轮在运行过程中，由于频繁的制动和加速 ，承受着周期性的交变载荷。这种循环载荷会导致车 轮产生疲劳裂纹，甚至发生断裂。为了确保列车的安 全运行，需要对车轮进行疲劳分析，评估其疲劳寿命 和可靠性。这需要考虑车轮的材料、几何形状、表面 处理、工作环境以及制动和加速模式等因素，采用适 当的疲劳分析方法和实验手段进行验证。

疲劳分析介绍
会计学
1
内容提要
1.概述 2.交变应力 3.S-N曲线 4.影响因素 5.疲劳寿命计算方法 6.SN方法介绍
第1页/共42页
1.概述-疲劳失效危害
19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴 肩处多次发生破坏；
1954年, 英国慧星号喷气客机坠入地中海 （机身舱门拐角处开裂）；
Kt
max 0
σmax为最大应力，σ0为载荷除以缺口处 净截面积所的得平均应力（名义应力）
。
第23页/共42页
4.3缺口形状效应-疲劳缺口系数
除非是高强度材料，零件的疲劳极限 并非随 Kt降低 想象中 那样大 ，即应 力集中 使零件 疲劳强 度降低 的倍数 和它使 零件应 力提高 的倍数 并不相 同。此 时应力 集中系 数就无 法真实 地反映 缺口对 疲劳强 度的影 响。因 此常用 疲劳缺 口系数Kf（fatigue notch factor，又被称为有效应力集中系数） 来更直 接地反 映疲劳 强度的 真实的 降低程 度。
4.疲劳寿命的影响因素
Factors Influencing Fatigue Life 平均应力
Mean stress
尺寸效应
Component size
缺口与不连续形状
Notches and discontinuities
表面处理及粗糙度
Surface treatment & finish
电镜照片－铝合金疲劳辉纹图
第7页/共42页
1.概述-疲劳研究发展简史
19世纪40年代，铁路机车车轴的疲劳破坏问 题。德国A.沃勒通过旋转弯曲试验获得车轴 疲劳结果，把疲劳和应力联系起来，提出 疲劳极限的概念，奠定了常规疲劳分析的 基础。

由上式可看出，非对称变应力可以转化 为对称循环疲劳极限σ-1。由此推论：
av a m
工程上为计算方便，用折线 AES近似代替曲线ABC。即折线 上任意点的坐标（σrm、σra）代 表某一循环特性下的疲劳极限。
§2 机械零件的疲劳强度计算 ☆影响疲劳强度的主要因素三个方面： 1 应力集中的影响
应力幅
a
max min
2
循环特征（应力比）
min r max
☆稳定循环变应力的分类——
σ
σmax σa
σmax= -σmin=σa σm=0
σm
σa
σa σmax
σmax=σmin
σa
0
σmin=0
σm=σa σmin
t σmin
σa=0 σm=σmax r= +1
min 0 a m max
零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会 产生应力集中，使局部应力大于公称应力。以疲劳缺口系数k（或k ）考虑其 对零件疲劳极限的影响。
几种典型机械零件的k、k 值附录表。
2 尺寸效应
零件尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大，疲劳强度就越 低。以尺寸系数（或）考虑其对零件疲劳极限的影响。 钢制零件的、值见附录表。
4 综合影响系数
以上三个因素只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显影响。因此，为 简化计算，将三个系数综合为一个系数，称综合影响系数(k)D或(k)D。即
第二章 机械零件的疲劳强度及轴的设计计算
§1 材料的疲劳特性
机械零件的强度，是指机械零件抵抗各种机械性破坏的能力。 早期的机械零件强度设计只限于静强度计算。到了19世纪中叶，从 火车轮轴大量疲劳断裂的事故中发现了在交变应力作用下的疲劳破 坏现象，开始了对疲劳强度的研究。实际上，常用的机械零件很多 是在交变应力作用下工作的，疲劳破坏是其主要的失效形式之一。 ☆疲劳失效的特点