应变疲劳极限理论的工程意义.pdfVIP

一 ． ； I工程力学，增刊1997年 应变疲劳极限理论的工程意义 、 舰03． 吴 伟 姆 北 tIOoo002Z) (北京工业大学材料力学教研宣 北 _。 提要 本文探讨构件在文变应力作用下疲劳极限的理论研究问题．用塑性理论推导出工程实用的计 算公式．孵明其物理内栖及工程意义． 、 ． ． 关疲键量调破坏疲是劳：皇塞 ＼墨f壅里墨·— 车 收 一 种 “潜剃”的失效方式，疲劳断裂前羌明显的先兆．甚至应力低于静荷设计 指标而破坏。桥梁，压力窖器、船舶、飞机、汽车、发动机等都曾发生过多次灾难性的疲劳破 坏。城市立交桥是一种新兴的建筑形式，随着服役期的增长应密切关注疲劳破坏的隐患．疲 劳极限是交变应力作用下构件设计的重要指标，是予测构件寿命的依据。世界上先进国家逐 步的用应变疲劳数据代替应力疲劳数据作为设计准则，理论研究由宏观向微观过渡使疲劳 破坏的机理研究 日趋深化 。本文提出。应变硬化 假设，从理论上对疲劳极限这个重要指标进 行探讨。 一 、 “应变硬化临界点 假设及公式推导 用试验方法测得碳钢的应力一寿命曲线或S--N 曲线如图1所示。对于所测试的材料 只要最大 应力不超过一个限度．它们即可经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏。应力的 上述极限称为材料的疲劳极限。从材科的疲劳曲线上我们推断，试件负荷运转从破坏到不破 坏，假设存在一个临界点。这个临界点暂定名为 “应变硬化临界点 ，它是应力与循环周次二 变量函数关系的Il占界值。 丁 ．L． ‘ 5 6 7 自 FgN ‘ 5 6 7 自 lgN 珥1 璃钢的壹劳曲线 匿2 应空硬化临再点 !苫墨盎兰!曼型 !!!璺 ——————二 ：_二 ． 假设认为疲劳曲线不是一条光滑连续的曲线．应变硬化临界点将 曲线戈1分为不连续的两段 如图2所示．临界点B是曲线的拐点，临界点右下AB段表示试样处于弹性范围，试样的变 形为弹性变形，临界点左上Bc段表示试样处于塑性范围，试样的变形为塑性变形．B点代 表的应力称为 应变疲劳极限 用O-B表示．以上假设从傲观理论可以作如下解释，金属材料 理想晶界的秩序是靠原子间的作用力来维持的，当晶体的滑移面上及滑移方向上，受到剪应 力r作用时，上下两层原子具备了滑移条件，而两层原子间的作用力必然要反抗这种滑移的 产生，当T到达一相当值 时．原子间的作用力抵抗不住这种滑移而发生位移，原子朝离它 最近的平衡位置移去．圈3(a)中原子处在A、B位置时表示未发生滑移，因此原子间的剪应 ＼／／1 匿3 剪应力在厦子问垒化规律 力为0．着位移到AB中间一半位置时，由于对称关系，剪应力也为0，剪应力r与原子间距b 按正弦规律变化 从圈3(b)可以看出当x=b／4时，T到达最大值r_，当剪应力超过rm时原 子就可能位移一个原子间距到下一个平衡位置而发生塑性变形，即r-是理想晶界的剪应力 极限值．实际上金属晶体内部存在许多位错，它们互相交织在一起形或三维网状分布的位错 网，滑移面上存在位错时，由于剪应力作用，滑移逐步向前运动，当它运动到晶体丧酊『时，位 错消失形成一个原子问距韵滑移台阶，在剪应力的持续作用下，这些滑移台阶沿位错线形成 位错环，增殖一些新位错，位错源产生的大量位错滑移到晶体表面形成足够大的滑移台阶， 这种位错台阶就是在电子显徽镜下观察到的滑移线，而疲劳试验