第三節(jié) 疲勞壽命理論及應(yīng)用
一、基本概念
應(yīng)力、應(yīng)變、材料強(qiáng)度、許用應(yīng)力
應(yīng)力是機(jī)械零件的材料內(nèi)任一點(diǎn)處由于外力作用或不均勻加熱或永久變形產(chǎn)生的單位截面積上的內(nèi)力。應(yīng)力用內(nèi)力與截面積的比值表示。分為正應(yīng)力(或法向應(yīng)力)，用σ表示;切應(yīng)力(或剪應(yīng)力)，用τ表示。正應(yīng)力和切應(yīng)力的矢量和為總應(yīng)力。
應(yīng)變是機(jī)械零件材料內(nèi)部任一點(diǎn)因外力作用引起的形狀和尺寸的相對(duì)改變。與正應(yīng)力和切應(yīng)力，相對(duì)應(yīng)，應(yīng)變分為線應(yīng)變和角應(yīng)變。當(dāng)外力卸除后，物體能夠全部恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的應(yīng)變，稱(chēng)為彈性應(yīng)變;如只能部分地恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，其殘留下來(lái)的那一部分稱(chēng)為塑性應(yīng)變。
材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：比例極限σp、彈性極限σe、屈服極限σs、強(qiáng)度極限σb，其中屈服極限和強(qiáng)度極限是評(píng)價(jià)材料靜強(qiáng)度的重要指標(biāo)。
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許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計(jì)中允許零件或構(gòu)件承受的應(yīng)力值，要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力過(guò)高或過(guò)低，需要預(yù)先確定一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是許用應(yīng)力。許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當(dāng)修正的材料失效應(yīng)力除以安全系數(shù)。靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中塑性材料以屈服極限作為失效應(yīng)力，脆性材料以強(qiáng)度極限作為失效應(yīng)力。
二、疲勞及疲勞壽命。
疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力(或應(yīng)變)的反復(fù)作用下，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過(guò)程稱(chēng)為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命。
三、疲勞壽命曲線
常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無(wú)限壽命計(jì)算和有限壽命計(jì)算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力——壽命曲線(σ一N曲線)和應(yīng)變——壽命曲線(δ一N曲線)表示。應(yīng)力——壽命曲線和應(yīng)變——壽命曲線，統(tǒng)稱(chēng)為S一N曲線。根據(jù)試可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式： σmN=C
式中：N——應(yīng)力循環(huán)數(shù);
m、C——材料常數(shù)
在疲勞試驗(yàn)中，實(shí)際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時(shí)必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。
一、基本概念
應(yīng)力、應(yīng)變、材料強(qiáng)度、許用應(yīng)力
應(yīng)力是機(jī)械零件的材料內(nèi)任一點(diǎn)處由于外力作用或不均勻加熱或永久變形產(chǎn)生的單位截面積上的內(nèi)力。應(yīng)力用內(nèi)力與截面積的比值表示。分為正應(yīng)力(或法向應(yīng)力)，用σ表示;切應(yīng)力(或剪應(yīng)力)，用τ表示。正應(yīng)力和切應(yīng)力的矢量和為總應(yīng)力。
應(yīng)變是機(jī)械零件材料內(nèi)部任一點(diǎn)因外力作用引起的形狀和尺寸的相對(duì)改變。與正應(yīng)力和切應(yīng)力，相對(duì)應(yīng)，應(yīng)變分為線應(yīng)變和角應(yīng)變。當(dāng)外力卸除后，物體能夠全部恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的應(yīng)變，稱(chēng)為彈性應(yīng)變;如只能部分地恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，其殘留下來(lái)的那一部分稱(chēng)為塑性應(yīng)變。
材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：比例極限σp、彈性極限σe、屈服極限σs、強(qiáng)度極限σb，其中屈服極限和強(qiáng)度極限是評(píng)價(jià)材料靜強(qiáng)度的重要指標(biāo)。
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許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計(jì)中允許零件或構(gòu)件承受的應(yīng)力值，要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力過(guò)高或過(guò)低，需要預(yù)先確定一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是許用應(yīng)力。許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當(dāng)修正的材料失效應(yīng)力除以安全系數(shù)。靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中塑性材料以屈服極限作為失效應(yīng)力，脆性材料以強(qiáng)度極限作為失效應(yīng)力。
二、疲勞及疲勞壽命。
疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力(或應(yīng)變)的反復(fù)作用下，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過(guò)程稱(chēng)為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命。
三、疲勞壽命曲線
常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無(wú)限壽命計(jì)算和有限壽命計(jì)算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力——壽命曲線(σ一N曲線)和應(yīng)變——壽命曲線(δ一N曲線)表示。應(yīng)力——壽命曲線和應(yīng)變——壽命曲線，統(tǒng)稱(chēng)為S一N曲線。根據(jù)試可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式： σmN=C
式中：N——應(yīng)力循環(huán)數(shù);
m、C——材料常數(shù)
在疲勞試驗(yàn)中，實(shí)際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時(shí)必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。