机械设计材料的疲劳强度
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02.
影响因素与机理
04.
疲劳寿命分析方法
05.
设计优化策略
01.
03.
疲劳测试方法
06.
工程实践案例
疲劳强度基本概念
01
疲劳强度基本概念
PART
定义与作用机理
作用机理
疲劳强度是指材料在交变应力作用下抵抗破坏的能力，是机械设计中的重要参数。
影响因素
定义
疲劳破坏是由于材料内部微小裂纹在交变应力作用下逐渐扩展导致的，表现为材料性能的逐渐退化。
疲劳强度受材料的力学性能、微观结构、应力状态、环境因素等多种因素的影响。
应力循环特征分析
应力循环类型
应力集中
应力幅与平均应力
应力循环分为拉-拉疲劳、压-压疲劳、拉-压疲劳等多种类型，不同类型的应力循环对材料的疲劳强度有不同的影响。
应力幅是指应力循环中最大应力与最小应力之差，平均应力是指应力循环中应力的平均值，二者共同影响材料的疲劳强度。
应力集中是导致材料疲劳破坏的重要原因之一，应尽量避免或减小应力集中现象。
疲劳失效典型阶段
裂纹萌生阶段
在交变应力作用下，材料内部出现微小裂纹，这些裂纹逐渐扩展并相互连接，形成可见的裂纹。
裂纹扩展阶段
瞬时断裂阶段
裂纹在交变应力作用下继续扩展，材料的性能逐渐退化，出现明显的疲劳裂纹。
当裂纹扩展到一定程度时，材料突然发生断裂，导致疲劳失效。在这一阶段，材料的疲劳寿命已经达到极限。
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02
影响因素与机理
PART
材料微观结构作用
晶粒尺寸
材料的晶粒尺寸越小，疲劳强度通常越高，因为晶界可以阻止裂纹的扩展。
01
夹杂物与缺陷
夹杂物、气孔、裂纹等缺陷会成为疲劳裂纹的起始点，降低材料的疲劳强度。
02
第二相粒子
第二相粒子可以阻碍位错运动，提高材料的屈服强度，但也会增加应力集中，导致疲劳强度降低。
03
拉压载荷下，材料受到的应力状态较为复杂，容易产生多轴疲劳，降低疲劳强度。
拉压载荷
弯曲载荷下，材料表面应力分布不均匀，容易产生应力集中，从而降低疲劳强度。
弯曲载荷
加载频率越高，材料的疲劳极限越低，因为高频加载下材料内部缺陷扩展速度加快。
频率影响
载荷类型与频率效应
环境介质与温度关联
腐蚀环境
在腐蚀环境下，材料表面容易受到腐蚀介质的侵蚀，产生腐蚀坑和裂纹，加速疲劳裂纹的扩展。
01
高温环境下，材料的蠕变变形和氧化速度加快，导致材料的疲劳强度降低。
02
低温环境
低温环境下，材料的韧性降低，容易发生脆性断裂，也会降低材料的疲劳强度。
03
高温环境
03
疲劳测试方法
PART
标准试验流程规范
按照标准规定的方法制备样品，包括尺寸、形状等。
样品制备
试验设备
试验参数
试验过程
选择合适的疲劳试验机，并确保其符合标准要求。
确定试验参数，如应力比、频率、环境等。
按照标准规定的流程进行疲劳试验，记录试验数据和现象。
旋转弯曲试验机原理
旋转弯曲试验机
利用旋转的弯曲载荷来评估材料的疲劳强度。
载荷施加
通过电机驱动旋转轴，使样品在旋转过程中受到弯曲载荷。
样品断裂
记录样品断裂时的循环次数，以此评估材料的疲劳寿命。
弯曲应变
通过测量样品在旋转过程中的弯曲应变，了解材料的应变疲劳性能。
数据采集
通过传感器和控制系统采集试验过程中的数据，如载荷、应力、应变等。
数据处理
对采集的数据进行处理，计算出疲劳寿命、疲劳强度等指标。
S-N曲线绘制
根据处理后的数据绘制S-N曲线，用于描述材料的疲劳性能。
曲线分析
通过对S-N曲线的分析，了解材料的疲劳极限、疲劳寿命等特性。
数据采集与S-N曲线绘制
04
疲劳寿命分析方法
PART
应力-寿命模型应用
应力-寿命模型应用
疲劳极限
疲劳累积损伤
应力-寿命曲线
影响因素
根据材料疲劳极限，预测结构在某一应力水平下的疲劳寿命。
描述应力与寿命之间的关系，便于进行疲劳设计和寿命评估。
基于线性累积损伤理论，评估变幅载荷下的疲劳寿命。
考虑平均应力、应力集中系数、表面粗糙度等因素的影响。
局部应变法原理
基于材料局部塑性变形与寿命的关系进行疲劳寿命预测。
局部应变-寿命关系
分析结构中的应力、应变集中部位，确定疲劳危险区域。
应变集中部位
采用弹塑性力学方法，计算危险部位的局部应变和应力。
弹塑性分析
根据局部应变和应力，计算疲劳损伤并进行寿命预测。
损伤累积
断裂力学评估路径
裂纹扩展速率
测定材料在特定条件下裂纹扩展的速率，用于评估结构寿命。
断裂韧性
衡量材料抵抗裂纹扩展的能力，是断裂力学评估的重要指标。
初始裂纹尺寸
假设或检测结构中的初始裂纹尺寸，作为评估的起点。
裂纹扩展寿命
根据裂纹扩展速率和断裂韧性，计算裂纹扩展至临界尺寸所需的时间。
05
设计优化策略
PART
材料选型关键指标
材料在交变载荷下抵抗疲劳破坏的最大应力值。
疲劳极限
韧性
强度
耐