工程力学（静力学与材料力学）教学课件作者顾晓勤第14章动载荷和疲劳第5节材料持久极限及影响因素课件.ppt

第5节 材料持久极限及影响因素 第十四章 动载荷和疲劳 一、材料持久极限 定义：实验证明，在交变载荷作用下，构件内应力的最大值（绝对值）如果不超过某一极限，则此构件可以经历无数次循环而不破坏，我们把这个应力的极限值称为持久极限。 同一材料在不同的基本变形形式和循环特性下，它的持久极限是不同的。 注意 用 、 和 分别表示循环特性时材料在拉伸-压缩、弯曲和扭转交变应力下的持久极限。同一材料在同一种基本变形形式下的持久极限以对称循环下的持久极限为最低。所以通常以对称循环交变应力下的持久极限作为材料在交变应力下的主要强度指标。 大型结构疲劳试验机 纯弯曲疲劳试验机 疲劳实验试件 疲劳曲线：取数根标准钢料试件分别加放不同大小的对称循环载荷，在疲劳试验机上进行弯曲试验，记录下最大应力和断裂时的循环次数 N，得到的疲劳曲线如图所示。 疲劳曲线 循环基数：对于含铝或镁的有色金属，它们的疲劳曲线不明显地趋于水平，对于这类材料，通常选定一个有限次数 N0=108，称为循环基数，并将其所对应的最大应力作为持久极限。 对于低碳钢，在对称循环交变应力下，其拉伸?压缩、弯曲和扭转时的持久极限与其静载荷下拉伸强度极限分别有下列关系： 由上面可以看出，对称循环交变应力下的持久极限比同一材料的强度极限要低得多。 各种材料在对称循环交变应力下的持久极限，可从机械设计手册中查到。 表 14-1 几种材料的对称循环持久极限 （正火钢，单位 MPa） 材 料 拉伸-压缩 （ ） 扭 转 （ ） 弯 曲 （ ） Q235 钢 120~160 100~130 170~220 45 钢 190~250 150~200 250~340 16Mn 钢 200 — 320 二、影响材料持久极限的主要因素 实际中有的构件其截面尺寸由于需要会发生急剧的变化，例如零件上的缺口、轴肩、槽、孔等，在这些地方将出现应力集中，使局部应力增高，显著降低构件的疲劳极限。用 表示光滑试件对称循环时的疲劳极限， 表示有应力集中的试件的疲劳极限，则有效应力集中因数为 1、构件外形的影响 M M 图 14-31 弯曲的有效应力集中因数 图 14-32 扭转的有效应力集中因数 在静载荷作用下应力集中程度用理论应力集中因数来表示，它与材料性质无关，只与构件的形状有关。 从图 14-31、图 14-32可以看出：有效应力集中因数不但与构件的形状变化有关，而且与材料的强度极限 ，即与材料的性质有关。 应力集中将使持久极限降低，因此在设计制造承受交变应力的构件时，要尽量设法减低或避免应力集中。在轴类零件中根据结构的可能，尽量使半径过渡缓和，避免急剧变化，通常采用圆角过渡等措施。 2、表面粗糙度及表层强度的影响 表 面 粗 糙 度 测 量 仪 加工后表面粗糙度数值越大，持久极限越低。为了提高构件的持久极限，可以采用将构件的表面进行磨光的方法。 提高构件表层的强度，可以提高构件抵抗疲劳的能力。例如对构件中最大应力所在的表面进行热处理或化学处理（高频淬火、氮化、渗碳和氰化等），或对表面层用滚压、喷丸等冷加工方法，以提高构件的持久极限。 表面质量对疲劳极限的影响，可以用表面质量因数 来表示： 表面磨光标准 试件的疲劳极限 其他加工情况的构件的疲劳极限 表 14-2 表面质量因数 ? 加工方法 轴表面粗糙度 400 800 1200 磨 削 0.1 ~ 0.2 1 1 1 车 削 1.6 ~ 4.3 0.95 0.90 0.80 粗 车 3.2 ~ 12.5 0.85 0.80 0.65 未加工表面 — 0.75 0.65 0.45 高频淬火、氮化、渗碳和氰化、喷丸硬化、滚子滚压等各种强化方法，可以使表面质量因数 ，具体数据可从机械设计手册中查到。 3、尺寸的影响 试验是用直径为 7-10mm 的标准小试件测定的，实际工作中构件大小各异，随着试件横截面尺寸的增大，持久极限相应地降低。这是由于构件尺寸愈大，材料中包含的缺陷越多，产生疲劳裂纹的可能性就愈大，因而降低了疲劳极限。 用 表示光滑标准试件的疲劳极限， 表示光滑大试件的疲劳极限，则尺寸因数 扭转循环应力下的尺寸因数 图 14-33 弯曲循环应力下的尺寸因数 结 论 综合考虑上述三种因素的影响，得到构件在对称循环交变应力下的疲劳极限为 除了上述三种影响因素外，还有其他的因素影响疲劳极限，如受腐蚀、高温等也会降低构件的疲劳极限，其影响此处不再赘述，需要时可查阅有关手册。 三、对称循环下的疲劳强度计