鋼材的疲勞建筑與環(huán)境學(xué)院土木一班鋼材的疲勞建筑與環(huán)境學(xué)院土木一班2疲勞1、疲勞現(xiàn)象2、影響疲勞的因素3、常幅疲勞4、變幅疲勞2疲勞1、疲勞現(xiàn)象2、影響疲勞的因素3、常幅疲勞4、變幅疲勞1、疲勞3

結(jié)構(gòu)在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。什么是疲勞疲勞破壞的應(yīng)力水平低于靜荷載時(shí)的強(qiáng)度極限。如：一根能夠承受300kN拉力的桿，在100kN的循環(huán)載荷下，經(jīng)歷100萬(wàn)次循環(huán)后可能出現(xiàn)破壞。疲勞破壞屬于脆性破壞，沒(méi)有明顯的塑性變形。1、疲勞3結(jié)構(gòu)在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，因累1、疲勞4

結(jié)構(gòu)零部件在循環(huán)荷載作用下，在某些高應(yīng)力部位產(chǎn)生損傷并逐漸累積，導(dǎo)致性能退化，裂紋萌生、擴(kuò)展直到完全斷裂的失效形式，稱為疲勞失效。疲勞破壞的機(jī)理是：細(xì)觀裂紋的不穩(wěn)定發(fā)展導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的斷裂。疲勞破壞機(jī)理

裂紋的萌生破壞過(guò)程

裂紋的緩慢擴(kuò)展

迅速斷裂1、疲勞4結(jié)構(gòu)零部件在循環(huán)荷載作用下，在某些1、疲勞的破壞機(jī)理5

裂紋的萌生

裂紋的緩慢擴(kuò)展

迅速斷裂制造過(guò)程中不可避免有初始缺陷。對(duì)于理想無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)，晶體界面滑移帶的擠出侵入，或者由于氧化、腐蝕、使用中的磨損而形成損傷裂紋。宏觀裂紋形成后，在脈動(dòng)荷載作用下，裂縫沿垂直于最大正應(yīng)力方向擴(kuò)展疲勞破壞的最終階段，應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)材料斷裂韌度。與前兩階段不同，在一瞬間發(fā)生。1、疲勞的破壞機(jī)理5裂紋的萌生裂紋的緩慢6由于變動(dòng)載荷和應(yīng)變是導(dǎo)致疲勞破壞的外動(dòng)力，所以應(yīng)該先進(jìn)行了解。變動(dòng)載荷是指載荷大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值稱為變動(dòng)應(yīng)力，可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種，可用應(yīng)力-時(shí)間曲線描述循環(huán)應(yīng)力常幅變幅2、影響因素一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力(應(yīng)變)幅是影響疲勞壽命的決定因素6由于變動(dòng)載荷和應(yīng)變是導(dǎo)致疲勞破壞的外動(dòng)力，所以應(yīng)該先進(jìn)行了7一些疲勞基本概念:最大應(yīng)力σmax最小應(yīng)力σmin應(yīng)力范圍Δσ=σmax-σmin應(yīng)力幅σa=(σmax-σmin)/2=Δσ/2平均應(yīng)力σm=(σmax+σmin)/2應(yīng)力比R=σmin/σmax疲勞壽命（N）2、影響因素疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，疲勞計(jì)算時(shí)通常不考慮疲勞荷載的施加時(shí)間，而僅以循環(huán)次數(shù)為計(jì)算依據(jù)。

循環(huán)特征7一些疲勞基本概念:疲勞壽命（N）2、影響因素循環(huán)特征r8對(duì)稱循環(huán)tσtσ脈沖循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)靜荷應(yīng)力tσtσ循環(huán)特征r8對(duì)稱循環(huán)tσtσ脈沖循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)靜荷應(yīng)力tσt2、影響因素901疲勞驗(yàn)算：對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)材料屬性、缺口效應(yīng)（應(yīng)力集中）、尺寸、工藝、造型比例加載頻率、應(yīng)力波形、過(guò)載與停歇、環(huán)境因素表面粗糙度表面凹凸不平，是引起應(yīng)力集中的因素之一表面強(qiáng)化效應(yīng)—表面層硬化(1)機(jī)械方法，如噴丸、輥壓；(2)化學(xué)方法，如滲碳及滲氮；(3)熱處理。應(yīng)力幅因素020304零部件特性其他因素表面狀態(tài)2、影響因素901疲勞驗(yàn)算：對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)材料屬性、缺口2.1、疲勞驗(yàn)算10《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003：容許應(yīng)力幅法驗(yàn)算將鋼結(jié)構(gòu)按不同構(gòu)件和連接分成8類分別得到每一類S—N曲線（S是應(yīng)力幅，N是疲勞壽命）材料的S/N曲線有三種方法可以得到：手冊(cè)、規(guī)范或文獻(xiàn)疲勞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式由材料的S/N曲線到構(gòu)件的S/N曲線，還需根據(jù)應(yīng)力集中效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)進(jìn)行折減驗(yàn)算—由應(yīng)力幅的分類進(jìn)行區(qū)別

1.常幅疲勞Δσ—已折減后的應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的差值（拉取正，壓取負(fù)）

lg

nσ

疲勞試驗(yàn)方法存在一定局限性！2.1、疲勞驗(yàn)算10《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—200疲勞驗(yàn)算的局限性11鋼結(jié)構(gòu)的S—N曲線的物理意義不夠明確，不能考慮疲勞過(guò)程中疲勞裂紋這一重要信息，因此不能描述疲勞破壞的全過(guò)程。如：有些鋼結(jié)構(gòu)加固后，會(huì)對(duì)已出現(xiàn)疲勞裂紋有抑制擴(kuò)展的作用，使之出現(xiàn)還會(huì)經(jīng)歷比較長(zhǎng)的荷載循環(huán)次數(shù)，因此《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003中的S—N曲線會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估這種鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003中的8類曲線是根據(jù)完好的結(jié)構(gòu)試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到的，對(duì)于存在疲勞損傷的鋼結(jié)構(gòu)不適用。但對(duì)于既有的鋼結(jié)構(gòu)，都存在一定程度的損傷，因此曲線不宜被采用?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003中提出的疲勞強(qiáng)度是以試驗(yàn)為依據(jù)的包含了外形變化和內(nèi)在缺陷引起的應(yīng)力集中，以及連接方式不同而引起的內(nèi)應(yīng)力的不利影響。當(dāng)遇到《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003規(guī)定的8種以外的連接構(gòu)造時(shí)，只能套用相近的連接類別或是以疲勞試驗(yàn)結(jié)果確定強(qiáng)度凡是改變已有的應(yīng)力環(huán)境或措施，結(jié)構(gòu)構(gòu)造將無(wú)法使用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，對(duì)于現(xiàn)在多變的環(huán)境下的構(gòu)造疲勞問(wèn)題的研究造成局限和困難。疲勞驗(yàn)算的局限性11鋼結(jié)構(gòu)的S—N曲線的物理意義不夠明確，不2.1、疲勞驗(yàn)算12

2.變幅疲勞[Δ