第二章疲劳强度模型和SN曲线.docx

1、第二章疲劳强度模型和SN曲线第二章疲劳强度模型SN曲线1、S-N曲线-材料的披劳性能用作丿U的应力范IMS与到破坏时的寿命NZ 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？ T 实验得到！疲劳彼坏仃裂纹前生，扩展至断裂三个阶段，这里破坏 指的足裂纹肪住寿命。囚此，破坏可以迟义为：1） 标准小尺寸试件断裂。对于高、屮强度钢等脆件材料， 从裂纹叨工到扩展至小尺寸闘截I衍试件断裂的时间很短， 对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹叨卞时尺度小，观察 困难，故这样定义是介理的。2） 出现可见小裂纹，或仃5%15%应变降。对于延性

2、鮫 好的材料，裂纹叨生后仃和当K的一段扩展阶段，不应、 计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察W难时，可以监测恒 幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹肩，刚度 改变，应变也随之变化，故町用应变变化戢來确定是否師 牛了裂纹。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，施加不同的应力范国S,进行疲劳试 验，记录和应的寿命N,即町得到图znS-Nlltl线。由图叮知，在给定的W力比卜，应力范圉S越小，寿命 越长。为应力范ws小r杲极限值时，试件不发牛破坏， 寿命趋r无限长。rtlS-Nllll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“趋于无穷人

3、时所对应的应 力范ras,称为材料的疲劳极限。山于疲劳极限是山试验确;1的，试验又不町能一宵做下 *,故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷人一般被定 义为：钢材，1()7次循环，焊接件：2、SN曲线的数学表达式两个参数:m, ANS-A两边取对数, /LogN mLogSLogA选取儿个不同的应力范由平S，S.S，进行纽疲1 2 n劳试验，对各组实验数据应力范用循坏次数S.N/nH： N；S,N , N N . NS,N：nT.N7 N*假定nJ 为某一概率分布F（N）（般为Weibull分布）+(N_SpJ，(SN试验次数多=少假定应力范ffl水平下疲劳寿命N的分布为对数正态分彳j 时，釆用

4、极人似然法拟合得到P-S-Nllll线为IgN = IgA p - nilgS定值，IgA p农示存活率为p时的IgA p(SN |)辰小2)3宀) (*nJ= mIgAIgA正态分彳曰IgA p = IgA + UpU0e152 屮6 3ST 屮5.51Q】飞211.4D46S70304.33E2-79-1 屮50Igo；53.47.75F1:n2t jamin5 n1 OmIA47 n6 SBF630x|0I 93x10309 10*0皿湖5.584-10*123 7179D608101.86-10*30433】OU29 105.0LOP 108441,2F4丨6lO1 2MOB n? w

5、mUI 4R、$01 ni-1074 J111 gF2mo770703 09 97706 42-10*501 OPIO62 99,13F2J 72叫屮? 2310305 28-1030】0】501 01-1055 J8 WG101030 10302.14-10*5.0l.Ol-IO46.26.71W6003.0ro2io*6 *4-10*?.OLOl-IO*39 80,即拉伸平均应力作用时，S- NlUj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，対疲劳有不利的影响。Sm0,即压缩 平均应力作用时，线上移，表示同样 应力幅作用下的寿命增大，或者说在同样 寿命下

6、的疲劳强度提高，压缩平均应力对 疲劳的影响是有利的。在给定寿命NT,研究循环应力幅Sa与平均 应力Sm2关系，町得到如图结果。当寿命 给定时，平均应力Sm越大，相应的应力幅 Sa就越小；但无论 如何，平均应力Sm 都不可能大于材料 的极限强度Su。Su为高强脆性材料 的极限抗拉强度或 延性材料的屈服强度-图屮给出了金属材料ISM07时的SaSm关系, 分别用疲劳极限和Su进行归一化。因此, 等寿命条件下的SdSm关系町以表达为 (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1这是图中的抛物线，称为Gerber曲线，数 据点基木上在此抛物线附近。-另一表达式，是图屮的直线，即-(Sa/S-1)+(Sm/S

7、u)=1上式称为Goodman直线，所有的试验点基 木都在这一直线的上方。直线形式;简单，在给定寿命下，由此作出的SdSm央系估计是偏丁保守，故在工程实际中常用。例子构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa, Smin=80MPao若已知材料的极限强度为 Su=1200MPa,基木S-N曲线为S3N=1.5*100,试估算莫疲劳寿命。解：确足循环应力幅和平均应力。Sa= CSmax-Smin) /2=360MPaSm= (Smax-Smin) /2=440MPa循环应力水平等寿命转换，用Good man方 程有(Sa/S-1 ) +(Sm/Su)=1代入数据，得5-1=568,4MPa估

8、算寿命。N=C/S3=1 .5*105/568.43=8.1*10-4、影响疲劳性能的若干因素1）载荷形式材料的疲劳极限随载荷形式的不同有卜述 变化趋势：S （弯）S （拉）-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Illi帖 形卜的高应力区体积则耍小得多。我们知 道疲劳破坏要取决丁作用应力的大小 （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坏 最大应力Smax相等,W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 引发裂纹萌生的町能性也大。所以，同样的应力水平作用下，拉压循环 载荷作用时的

9、寿命比弯曲时短；或者说， 同样寿命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， 需由不同应丿丿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xT刈疲劳性能的影响，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，体积越人，存在缺陷或薄弱处的 可能就越人，故人尺J构件的疲劳抗力低 于小尺寸试件。或者说，在给定寿命N下, 人尺寸构件的疲劳强度卜降；在给定的应 力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。 3）表而光洁度-由疲劳的局部性显然町知，若试件表面粗 糙，将使局部应力集中的

10、程度加大，裂纹 萌生寿命缩短。材料的基本S-N曲线是1精 磨后光洁度良好的标准试件测得的。-4）表而处理 一般來说，疲劳裂纹总是起源于衣面。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hl的。-若循环应力如图-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 的證加，成为r-2*-3*-4平均应力降为Sm, 疲劳性能将得到改善。表面喷丸处理；零件冷挤压加工；存构件 农而引入残余压应力，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

11、越长，延寿效果越好。在肓 应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸，效果更好。农血渗氮或渗碳处理，町以提高衣面材料 的强度并在材料表血引入压缩残余应力， 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I儒一倍。对于缺U试件，效 杲更好。-5）环境和温度的影响材料的SN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 介质环境卜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，一般有如卜趋势：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

12、范圉 内（如200Hz以内），频率对材料S-NiHl线 的影响不人。但亦腐蚀环境屮，随着频率 的降低，同样循环次数经历的吋间增长， 腐蚀的不利作用冇较充分的时间显示，使 疲劳性能下降的影响明显。b）在腐蚀介质（如海水）屮，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，表现山低温脆性。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为，也会因温度升 高而消失。