一、疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞曲線
1. 疲勞曲線和疲勞極限
疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線,即S-N曲線,是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。
1860年,維勒 (W?hler) 在解決火車軸斷裂時(shí),首先提出了疲勞曲線和疲勞極限的概念,所以后人也稱該曲線為維勒曲線。
對于一般具有應(yīng)變時(shí)效的金屬材料,如碳鋼、球鐵等,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降到某一臨界值時(shí),低應(yīng)力段變?yōu)樗骄€段,表明試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂,故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限,記為σ-1(對稱循環(huán),r=-1)。這類材料如果應(yīng)力循環(huán)107周次不斷裂,則可認(rèn)定承受無限次應(yīng)力循環(huán)也不會斷裂,所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。
另一類金屬材料,如鋁合金、不銹鋼等,其S-N曲線沒有水平部分,只是隨應(yīng)力降低,循環(huán)周次不斷增大,此時(shí)只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限,或稱有限壽命疲勞極限。
2. 疲勞曲線的測定
通常疲勞曲線用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)測定。S-N曲線的高應(yīng)力(有限壽命)部分用成組試驗(yàn)法測定,即取3-4級較高應(yīng)力水平,在每級應(yīng)力水平下,測定5根左右試樣的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算中值(存活率50%)的疲勞壽命。
用升降法測得的σ-1作為S-N曲線的最低應(yīng)力水平點(diǎn),與成組試驗(yàn)法的測定結(jié)果擬合成直線或曲線,就可得到存活率為50%的中值S-N曲線。
3. 不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限
同一材料,不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限不同,但它們之間存在一定聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)確定:對稱彎曲疲勞極限與對稱拉壓、扭轉(zhuǎn)疲勞極限之間存在一定關(guān)系。
4. 疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系
試驗(yàn)表明,金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大,其疲勞極限也越大。對于中、低強(qiáng)度鋼,疲勞極限與抗拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系。
σb 較低時(shí),可近似寫成σ-1=σb ;
σb 較高時(shí),這種近線性關(guān)系就會發(fā)生偏離,這是由于強(qiáng)度較高時(shí),材料的塑性和斷裂韌性下降,裂紋易于形成和擴(kuò)展所致。
二、疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限 很多機(jī)件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的,因此還需要測定材料的不對稱循環(huán)疲勞極限,以滿足這類機(jī)件的設(shè)計(jì)和選材的需要。通常用工程作圖法,由疲勞圖求得各種不對稱循環(huán)的疲勞極限,根據(jù)不同的作圖方法有兩種疲勞圖:
1. σa-σm 疲勞圖
在不同應(yīng)力比r 條件下將σmax表示的疲勞極限σr 分解為σa 和σm,并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線,則得到σa -σm 疲勞圖。
2. σmax(σmin)-σm 疲勞圖
將不同應(yīng)力比r 下的疲勞極限,分別以σmax(σmin)和σm 表示于坐標(biāo)系中,就形成疲勞圖。AHB就是在不同r 下的疲勞極限σmax,疲勞極限隨平均應(yīng)力或應(yīng)力比的增加而增加,但應(yīng)力幅度a 減小。
三、抗疲勞過載能力 金屬機(jī)件偶然經(jīng)受短期過載,材料原來的疲勞極限可能沒有變化,也可能有所降低,這要具體視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累計(jì)過載周次而定。
如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后,其疲勞極限和疲勞壽命減小,這就造成了過載損傷。金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力,用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。
過載損傷界由實(shí)驗(yàn)確定,測出不同過載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次,得到不同的試驗(yàn)點(diǎn),連接各點(diǎn)便得到過載損傷界。過載損傷界與疲勞曲線高應(yīng)力區(qū)直線段(該線段各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次,稱為過載持久值)之間的影線區(qū),稱為過載損傷區(qū)。
機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個(gè)區(qū)域里,都要不同程度地降低材料疲勞極限,在持久值附近,降低的越多。材料的過載損傷界(或過載持久值)越陡直,損傷區(qū)越窄,則其抵抗疲勞過載的能力越強(qiáng)。
四、疲勞缺口敏感度 機(jī)件由于使用的需要,常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等,這些結(jié)構(gòu)類似于缺口作用,會改變應(yīng)力狀態(tài)造成應(yīng)力集中。所以,了解缺口引起的應(yīng)力集中對疲勞極限的影響也很重要。
根據(jù)疲勞缺口敏感度評定材料時(shí),可能出現(xiàn)兩種極端情況:
Kf =Kt,即缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣,沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布,這時(shí)缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重,疲勞缺口敏感度qf =1,材料的缺口敏感性最大。
Kf =1,σ-1=σ-1N,缺口不降低疲勞極限,說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重分布,應(yīng)力集中效應(yīng)完全被消除,qf =0,材料的缺口敏感性最小。
所以,qf 值能反映在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布,降低應(yīng)力集中的能力。
高周疲勞時(shí),大多數(shù)金屬都對缺口十分敏感;低周疲勞時(shí),大多數(shù)金屬都對缺口不太敏感,這是因?yàn)楹笳呷笨诟繀^(qū)域已處于塑性區(qū)內(nèi),發(fā)生應(yīng)力松弛,使應(yīng)力集中降低所致。
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