升降法成组法SN曲线

工程构件在服役中，由于承受工程构件在服役中，由于承受工程构件在服役中，由于承受工程构件在服役中，由于承受变动载荷变动载荷变动载荷变动载荷而导致而导致而导致而导致裂纹萌生裂纹萌生裂纹萌生裂纹萌生和和和和扩展扩展扩展扩展以致以致以致以致断裂断裂断裂断裂失效失效失效失效的全过程称为的全过程称为的全过程称为的全过程称为疲劳疲劳疲劳疲劳。。。。统计分析表明，在机械失效中，疲劳失效约占统计分析表明，在机械失效中，疲劳失效约占统计分析表明，在机械失效中，疲劳失效约占统计分析表明，在机械失效中，疲劳失效约占80％以上。％以上。％以上。％以上。因此，研究材料在变动载荷中的力学响应、裂因此，研究材料在变动载荷中的力学响应、裂因此，研究材料在变动载荷中的力学响应、裂因此，研究材料在变动载荷中的力学响应、裂纹萌生及扩展特性，对评定疲劳抗力，进而为工程纹萌生及扩展特性，对评定疲劳抗力，进而为工程纹萌生及扩展特性，对评定疲劳抗力，进而为工程纹萌生及扩展特性，对评定疲劳抗力，进而为工程构件的疲劳设计、疲劳寿命预测和寻求改进工程材构件的疲劳设计、疲劳寿命预测和寻求改进工程材构件的疲劳设计、疲劳寿命预测和寻求改进工程材构件的疲劳设计、疲劳寿命预测和寻求改进工程材料疲劳抗力的途径等是十分重要的。料疲劳抗力的途径等是十分重要的。料疲劳抗力的途径等是十分重要的。料疲劳抗力的途径等是十分重要的。第第第第7777章章章章疲疲疲疲劳劳劳劳7.1变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征1）变动载荷（应力）及其描述参量）变动载荷（应力）及其描述参量）变动载荷（应力）及其描述参量）变动载荷（应力）及其描述参量变动载荷（应力）变动载荷（应力）变动载荷（应力）变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方是指载荷大小或大小和方是指载荷大小或大小和方是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷（应力）。机变化的载荷（应力）。机变化的载荷（应力）。机变化的载荷（应力）。前者称为前者称为前者称为前者称为周期变动载荷周期变动载荷周期变动载荷周期变动载荷（应力）或（应力）或（应力）或（应力）或循环载荷循环载荷循环载荷循环载荷（应力），后者称为（应力），后者称为（应力），后者称为（应力），后者称为随机变动载荷随机变动载荷随机变动载荷随机变动载荷（应力）。（应力）。（应力）。（应力）。实际的工程构件承受的载荷多为后者，但对实际的工程构件承受的载荷多为后者，但对实际的工程构件承受的载荷多为后者，但对实际的工程构件承受的载荷多为后者，但对工程材料的疲劳特性分析而言，工程材料的疲劳特性分析而言，工程材料的疲劳特性分析而言，工程材料的疲劳特性分析而言，为简化起见，主为简化起见，主为简化起见，主为简化起见，主要讨论要讨论要讨论要讨论循环载荷（应力）循环载荷（应力）循环载荷（应力）循环载荷（应力）情况。情况。情况。情况。循环载荷的应力循环载荷的应力循环载荷的应力循环载荷的应力−−−−时间关系：时间关系：时间关系：时间关系：循环载荷的应力-时间关系循环载荷的特征和描述参量：循环载荷的特征和描述参量：循环载荷的特征和描述参量：循环载荷的特征和描述参量：
波形：波形：波形：波形：通常为正弦波正弦波正弦波正弦波，其它有三角波三角波三角波三角波、梯梯梯梯形波形波形波形波等。
最大应力最大应力最大应力最大应力与最小应力最小应力最小应力最小应力：σσσσmax、σσσσmin。
平均应力平均应力平均应力平均应力σσσσm、应力半幅应力半幅应力半幅应力半幅σσσσa：maxmin2mσσσ+=maxmin22aσσσσ−Δ==
应力比应力比应力比应力比R：表征载荷变动的：表征载荷变动的：表征载荷变动的：表征载荷变动的不对称不对称不对称不对称程度。程度。程度。程度。即：即：即：即：
特例特例特例特例：：：：R=−−−−1称为称为称为称为对称循环应力对称循环应力对称循环应力对称循环应力；；；；R＝＝＝＝0称为称为称为称为脉动循环应力脉动循环应力脉动循环应力脉动循环应力。。。。minmaxRσσ=2））））疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征
它是一种它是一种它是一种它是一种““““潜藏潜藏潜藏潜藏””””的失效方式的失效方式的失效方式的失效方式，，，，无论材料无论材料无论材料无论材料在静载下是否显示脆性在静载下是否显示脆性在静载下是否显示脆性在静载下是否显示脆性，，，，在疲劳断裂时都在疲劳断裂时都在疲劳断裂时都在疲劳断裂时都不会产生明显的塑性变形不会产生明显的塑性变形不会产生明显的塑性变形不会产生明显的塑性变形，，，，断裂常常是断裂常常是断裂常常是断裂常常是突突突突发性发性发性发性的的的的，，，，没有预兆没有预兆没有预兆没有预兆，，，，所以所以所以所以““““危险性危险性危险性危险性””””大大大大。。。。
疲劳对材料缺陷敏感疲劳对材料缺陷敏感疲劳对材料缺陷敏感疲劳对材料缺陷敏感（（（（特别是表面缺陷特别是表面缺陷特别是表面缺陷特别是表面缺陷，，，，如沟槽如沟槽如沟槽如沟槽、、、、缺口等缺口等缺口等缺口等，，，，以及材料内部缺陷以及材料内部缺陷以及材料内部缺陷以及材料内部缺陷，，，，如如如如夹杂物夹杂物夹杂物夹杂物、、、、疏松疏松疏松疏松、、、、孔洞等孔洞等孔洞等孔洞等）））），，，，致使可能在致使可能在致使可能在致使可能在名名名名义应力不高义应力不高义应力不高义应力不高的情况下的情况下的情况下的情况下，，，，会因会因会因会因局部应力集中局部应力集中局部应力集中局部应力集中而形成裂纹而形成裂纹而形成裂纹而形成裂纹，，，，并随变动应力的加载并随变动应力的加载并随变动应力的加载并随变动应力的加载，，，，裂纹裂纹裂纹裂纹不断扩展不断扩展不断扩展不断扩展，，，，直至剩余截面不能继续承载而直至剩余截面不能继续承载而直至剩余截面不能继续承载而直至剩余截面不能继续承载而突然发生疲劳断裂突然发生疲劳断裂突然发生疲劳断裂突然发生疲劳断裂。。。。缺陷常为裂纹策源地缺陷常为裂纹策源地缺陷常为裂纹策源地缺陷常为裂纹策源地。。。。
实际构件的疲劳破坏过程疲劳破坏过程疲劳破坏过程疲劳破坏过程可以分成三个组成部分。即：裂纹萌生裂纹萌生裂纹萌生裂纹萌生、、、、裂纹扩展裂纹扩展裂纹扩展裂纹扩展、、、、最终断裂最终断裂最终断裂最终断裂7.2疲劳断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口
对应于疲劳破坏过程，疲劳断对应于疲劳破坏过程，疲劳断对应于疲劳破坏过程，疲劳断对应于疲劳破坏过程，疲劳断口可分为口可分为口可分为口可分为裂纹萌生区裂纹萌生区裂纹萌生区裂纹萌生区（裂纹源（裂纹源（裂纹源（裂纹源或疲劳源）、或疲劳源）、或疲劳源）、或疲劳源）、裂纹扩展区裂纹扩展区裂纹扩展区裂纹扩展区和和和和最最最最后断裂区后断裂区后断裂区后断裂区三个组成部分。三个组成部分。三个组成部分。三个组成部分。
裂纹萌生区裂纹萌生区裂纹萌生区裂纹萌生区（疲劳源）：断面（疲劳源）：断面（疲劳源）：断面（疲劳源）：断面较较较较平整、光亮；平整、光亮；平整、光亮；平整、光亮；
裂纹扩展区：呈贝壳状花纹或裂纹扩展区：呈贝壳状花纹或裂纹扩展区：呈贝壳状花纹或裂纹扩展区：呈贝壳状花纹或海滩状条带；海滩状条带；海滩状条带；海滩状条带；
最后断裂区最后断裂区最后断裂区最后断裂区：呈纤维状（塑性：呈纤维状（塑性：呈纤维状（塑性：呈纤维状（塑性材料）或结晶状（脆性材料）。材料）或结晶状（脆性材料）。材料）或结晶状（脆性材料）。材料）或结晶状（脆性材料）。带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口低应力集中低应力集中低应力集中低应力集中（大圆角）（大圆角）（大圆角）（大圆角）高应力集中高应力集中高应力集中高应力集中（小圆角）（小圆角）（小圆角）（小圆角）应力集中严重或应力提高都会导致裂纹成核数应力集中严重或应力提高都会导致裂纹成核数应力集中严重或应力提高都会导致裂纹成核数应力集中严重或应力提高都会导致裂纹成核数增多，裂纹扩展加快。增多，裂纹扩展加快。增多，裂纹扩展加快。增多，裂纹扩展加快。7.3高周疲劳高周疲劳高周疲劳高周疲劳
高周疲劳：高周疲劳：高周疲劳：高周疲劳：小型试样在变动应力实验时小型试样在变动应力实验时小型试样在变动应力实验时小型试样在变动应力实验时，，，，疲劳断裂寿命疲劳断裂寿命疲劳断裂寿命疲劳断裂寿命≥≥≥≥105周次的疲劳过程周次的疲劳过程周次的疲劳过程周次的疲劳过程。。。。
在这种疲劳过程中在这种疲劳过程中在这种疲劳过程中在这种疲劳过程中，，，，所施加的交变应力都所施加的交变应力都所施加的交变应力都所施加的交变应力都处于处于处于处于弹性变形范围弹性变形范围弹性变形范围弹性变形范围内内内内。。。。亦称亦称亦称亦称低应力疲劳低应力疲劳低应力疲劳低应力疲劳。。。。
实验中既可以控制应力实验中既可以控制应力实验中既可以控制应力实验中既可以控制应力，，，，也可以控制应变也可以控制应变也可以控制应变也可以控制应变，，，，但实际上控制应力要比控制应变容易得多但实际上控制应力要比控制应变容易得多但实际上控制应力要比控制应变容易得多但实际上控制应力要比控制应变容易得多。。。。因此因此因此因此，，，，高周疲劳实验都是在控制应力条件高周疲劳实验都是在控制应力条件高周疲劳实验都是在控制应力条件高周疲劳实验都是在控制应力条件下进行的下进行的下进行的下进行的。。。。主要疲劳抗力指标及其表征：主要疲劳抗力指标及其表征：主要疲劳抗力指标及其表征：主要疲劳抗力指标及其表征：
最大应力最大应力最大应力最大应力σσσσmax
应力半幅应力半幅应力半幅应力半幅σσσσa
疲劳断裂寿命的疲劳断裂寿命的疲劳断裂寿命的疲劳断裂寿命的S−−−−N曲线曲线曲线曲线
疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限σσσσR（（（（σσσσRN））））7.3.1S-N曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限1）疲劳曲线）疲劳曲线）疲劳曲线）疲劳曲线——疲劳疲劳疲劳疲劳S-N曲线曲线曲线曲线
概念：概念：概念：概念：疲劳疲劳疲劳疲劳S-N曲线是指循环加载过程中曲线是指循环加载过程中曲线是指循环加载过程中曲线是指循环加载过程中最大应力最大应力最大应力最大应力与与与与疲劳断裂前疲劳断裂前疲劳断裂前疲劳断裂前的应力循环周的应力循环周的应力循环周的应力循环周次次次次（（（（疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命）之间的关系。）之间的关系。）之间的关系。）之间的关系。2））））S-N曲线形式与疲劳极限曲线形式与疲劳极限曲线形式与疲劳极限曲线形式与疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限条件疲劳极限条件疲劳极限条件疲劳极限条件疲劳极限ff典型的典型的典型的典型的S-N曲线分类：曲线分类：曲线分类：曲线分类：
曲线从某循环周次开始曲线从某循环周次开始曲线从某循环周次开始曲线从某循环周次开始出现明显的水平出现明显的水平出现明显的水平出现明显的水平部分部分部分部分，如图中的（，如图中的（，如图中的（，如图中的（a）。）。）。）。
中、低强度钢通常具有此类曲线。它表中、低强度钢通常具有此类曲线。它表中、低强度钢通常具有此类曲线。它表中、低强度钢通常具有此类曲线。它表明所加的交变应力水平降低到水平应力明所加的交变应力水平降低到水平应力明所加的交变应力水平降低到水平应力明所加的交变应力水平降低到水平应力值时，值时，值时，值时，试样可承受无限次应力循环而不试样可承受无限次应力循环而不试样可承受无限次应力循环而不试样可承受无限次应力循环而不断裂断裂断裂断裂，此水平部分对应的应力即为，此水平部分对应的应力即为，此水平部分对应的应力即为，此水平部分对应的应力即为金属金属金属金属的疲劳极限的疲劳极限的疲劳极限的疲劳