《材料力學(xué)》14交變疲勞引言交變應(yīng)力的描述與分類材料的疲勞性能疲勞斷裂的機(jī)理與過程交變疲勞的實(shí)驗(yàn)方法與測試技術(shù)交變疲勞的應(yīng)用與防止措施contents目錄01引言

交變應(yīng)力的概念交變應(yīng)力是指隨時間周期性變化的應(yīng)力，其大小和方向都可能發(fā)生變化。交變應(yīng)力是引起材料疲勞破壞的主要原因，常見于機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域。交變應(yīng)力可以分為對稱循環(huán)應(yīng)力、脈動循環(huán)應(yīng)力和非對稱循環(huán)應(yīng)力等類型。疲勞破壞是一種在交變應(yīng)力作用下，材料經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)加載后發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。疲勞破壞通常發(fā)生在材料的局部區(qū)域，如缺口、裂紋等應(yīng)力集中處。疲勞破壞前材料沒有明顯的塑性變形，因此很難通過外觀檢查來預(yù)測。疲勞破壞的斷口通常呈現(xiàn)出海灘狀條紋或貝殼狀形貌，這是疲勞斷裂的典型特征。01020304疲勞破壞的特點(diǎn)研究交變疲勞可以了解材料在交變應(yīng)力作用下的力學(xué)性能和斷裂行為。交變疲勞研究對于保障機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域的安全運(yùn)行具有重要意義。通過研究交變疲勞，可以優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高材料的抗疲勞性能和使用壽命。交變疲勞研究還可以為材料科學(xué)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究交變疲勞的意義02交變應(yīng)力的描述與分類應(yīng)力隨時間周期性變化01交變應(yīng)力是指隨時間作周期性變化的應(yīng)力，可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來描述其變化規(guī)律，如正弦波、余弦波等。應(yīng)力幅和平均應(yīng)力02交變應(yīng)力中，應(yīng)力幅是指最大應(yīng)力和最小應(yīng)力之差的一半，平均應(yīng)力則是指一個周期內(nèi)應(yīng)力的平均值。應(yīng)力循環(huán)特性03交變應(yīng)力的循環(huán)特性包括應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力比（最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值）等，這些參數(shù)對于材料的疲勞壽命有著重要的影響。交變應(yīng)力的數(shù)學(xué)描述根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不同，交變應(yīng)力可以分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是指應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較高的疲勞，而低周疲勞則是指應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較低的疲勞。按應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分類交變應(yīng)力還可以根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同進(jìn)行分類，如單向交變應(yīng)力、雙向交變應(yīng)力和多向交變應(yīng)力等。按應(yīng)力狀態(tài)分類根據(jù)載荷類型的不同，交變應(yīng)力可以分為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞、拉壓疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞和復(fù)合疲勞等。按載荷類型分類交變應(yīng)力的分類在構(gòu)件的幾何形狀突然變化處（如缺口、孔洞、溝槽等），會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，即該處的應(yīng)力值遠(yuǎn)高于其他部位的應(yīng)力值。應(yīng)力集中現(xiàn)象應(yīng)力集中會顯著降低材料的疲勞強(qiáng)度，因?yàn)閼?yīng)力集中處往往是裂紋萌生和擴(kuò)展的起始點(diǎn)。對疲勞強(qiáng)度的影響為了減輕應(yīng)力集中的影響，可以采取一些措施，如降低缺口敏感度、提高表面光潔度、采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。減輕應(yīng)力集中的措施應(yīng)力集中對交變應(yīng)力的影響03材料的疲勞性能材料在無限多次交變應(yīng)力作用下而不破壞的最大應(yīng)力值，稱為疲勞極限或疲勞強(qiáng)度。它是衡量材料疲勞性能的重要指標(biāo)。疲勞極限表示疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線圖，也稱為S-N曲線。它反映了材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。疲勞圖疲勞極限與疲勞圖材料中存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，如缺口、裂紋等，會顯著降低材料的疲勞性能。應(yīng)力集中材料性質(zhì)環(huán)境因素材料的強(qiáng)度、韌性、硬度等力學(xué)性質(zhì)對其疲勞性能有重要影響。溫度、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素也會對材料的疲勞性能產(chǎn)生影響。030201影響疲勞性能的因素通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、減少缺口和裂紋等措施來降低應(yīng)力集中，從而提高材料的疲勞性能。降低應(yīng)力集中通過合金化、熱處理、表面強(qiáng)化等改性處理來改善材料的力學(xué)性質(zhì)，提高其疲勞性能。材料改性在使用過程中控制環(huán)境因素，如降低溫度、減少腐蝕介質(zhì)等，以延長材料的疲勞壽命。環(huán)境控制提高材料疲勞性能的途徑04疲勞斷裂的機(jī)理與過程構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下，由于截面尺寸突變、加工缺陷等原因，導(dǎo)致局部應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力，從而引發(fā)微裂紋。應(yīng)力集中金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下，表面晶粒會產(chǎn)生滑移帶，當(dāng)滑移帶開裂并與表面垂直時，形成疲勞裂紋源。滑移帶開裂對于多晶體材料，由于晶界處原子排列不規(guī)則，強(qiáng)度較弱，因此在循環(huán)應(yīng)力作用下容易開裂形成裂紋。晶界開裂疲勞裂紋的萌生裂紋擴(kuò)展速率在循環(huán)載荷作用下，裂紋擴(kuò)展速率逐漸加快，直至構(gòu)件斷裂。擴(kuò)展速率受應(yīng)力比、載荷頻率、環(huán)境溫度等因素影響。裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端存在一個塑性區(qū)，該區(qū)域內(nèi)材料發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展方向裂紋通常沿與最大主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展，形成典型的疲勞輝紋。疲勞裂紋的擴(kuò)展當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，構(gòu)件剩余截面無法承受外載荷，發(fā)生瞬時斷裂。此時斷口呈脆性斷裂特征，斷口平齊且光亮。瞬時斷裂疲勞斷口具有典型的疲勞輝紋和貝殼狀花樣。疲勞輝紋是裂紋在擴(kuò)展過程中留下的痕跡，而貝殼狀花樣則是由于裂紋在擴(kuò)展過程中不斷改變方向而形成的。此外，斷口上還可以觀察到裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的特征。疲勞斷口特征瞬時斷裂與疲勞斷口特征05交變疲勞的實(shí)驗(yàn)方法與測試技術(shù)高周疲勞試驗(yàn)低周疲勞試驗(yàn)熱疲勞試驗(yàn)腐蝕疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)的分類與方法01020304主要針對循環(huán)次數(shù)超過10^4次的疲勞行為，通過應(yīng)力控制或應(yīng)變控制的方式進(jìn)行。研究循環(huán)次數(shù)在10^2-10^4次之間的疲勞行為，通常涉及塑性變形，因此多采用應(yīng)變控制?？紤]溫度變化對材料疲勞性能的影響，通常在交變溫度場下進(jìn)行。研究在腐蝕介質(zhì)中材料的疲勞性能，需要考慮環(huán)境對疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的影響。疲勞試驗(yàn)機(jī)專用的疲勞試驗(yàn)設(shè)備，能夠施加交變載荷并控制試驗(yàn)條件。試樣制備根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求制備試樣，包括試樣形狀、尺寸、表面處理等。夾具與支撐確保試樣在試驗(yàn)過程中穩(wěn)定且受力均勻，減少附加彎矩和扭矩的影響。疲勞試驗(yàn)設(shè)備與試樣制備記錄試驗(yàn)過程中的載荷、位移、應(yīng)變等參數(shù)，以及裂紋萌生和擴(kuò)展的情況。數(shù)據(jù)采集對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選和轉(zhuǎn)換，提取有用的信息用于后續(xù)分析。數(shù)據(jù)處理根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制S-N曲線或ε-N曲線，評估材料在不同應(yīng)力或應(yīng)變水平下的疲勞壽命。疲勞壽命分析對裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行研究，利用斷裂力學(xué)理論預(yù)測材料的剩余壽命。斷裂力學(xué)分析疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與分析06交變疲勞的應(yīng)用與防止措施機(jī)械工程在機(jī)械工程中，交變疲勞是常見的現(xiàn)象，例如汽車發(fā)動機(jī)的曲軸、連桿等零部件在工作過程中會受到交變載荷的作用。航空航天航空航天領(lǐng)域中的許多結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動機(jī)葉片等，在工作過程中也會受到交變載荷的作用，因此需要考慮交變疲勞的影響。土木工程在土木工程中，橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)在風(fēng)載、地震等作用下也會受到交變載荷的作用，因此交變疲勞也是一個需要考慮的重要因素。交變疲勞在工程中的應(yīng)用ABCD防止交變疲勞破壞的措施合理設(shè)計通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中和過大的應(yīng)力幅值，可以降低交變疲勞破壞的風(fēng)險。表面強(qiáng)化處理通過表面強(qiáng)化處理，如噴丸、滾壓等，可以提高材料表面的抗疲勞性能。選用高強(qiáng)度材料選用高強(qiáng)度、高韌性的材料可以提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。定期檢測和維護(hù)定期對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)疲勞裂紋，可以防止交變疲勞破壞的發(fā)生。疲勞壽命預(yù)測方法包括名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、斷裂力學(xué)法等，這些方法可以通過分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和裂紋擴(kuò)展等參數(shù)來預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。無限壽命設(shè)計該方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)在低于疲勞極限的應(yīng)力水平下工作可以無限期地使用而不發(fā)生疲勞破壞。有限壽命設(shè)計該方法允許結(jié)構(gòu)