2014年注評(píng)考試《機(jī)電設(shè)備評(píng)估基礎(chǔ)》知識(shí)點(diǎn)：疲勞壽命理論及應(yīng)用

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知識(shí)點(diǎn)：疲勞壽命理論及應(yīng)用

一、基本概念

（一）應(yīng)力

1.內(nèi)力：物體的一部分對(duì)另一部分的機(jī)械作用。

2.應(yīng)力：應(yīng)力就是單位面積上的內(nèi)力。

σ：正應(yīng)力，法向應(yīng)力，與截面垂直，正應(yīng)力表示零件內(nèi)部相鄰兩截面間拉伸和壓縮的作用；

τ：切應(yīng)力，剪應(yīng)力，與截面平行，切應(yīng)力表示相互錯(cuò)動(dòng)的作用，正應(yīng)力和切應(yīng)力的向量和稱為總應(yīng)力。

正應(yīng)力和切應(yīng)力是度量零件強(qiáng)度的兩個(gè)物理量，常用單位是兆帕（MPa）。

（二）應(yīng)變

1.應(yīng)變是外力作用引起的形狀和尺寸的相對(duì)改變，是一個(gè)相對(duì)數(shù)。

2.當(dāng)外力去掉以后，物體能完全恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，那么這就叫做彈性應(yīng)變；如果只能部分恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，那么殘留下來(lái)的那一部分變形稱為塑性應(yīng)變。

【提示】與正應(yīng)力對(duì)應(yīng)的是線應(yīng)變，與切應(yīng)力對(duì)應(yīng)的是角應(yīng)變。

（三）材料強(qiáng)度

圖6－2所示為低碳鋼試棒在受軸向靜拉力時(shí)，軸向負(fù)荷P與絕對(duì)軸向變形Δl的關(guān)系曲線。

1.負(fù)荷較小時(shí)，材料的軸向變形與負(fù)荷成線性關(guān)系；負(fù)荷超過P_p后，呈非線性關(guān)系。保持線性關(guān)系的最大負(fù)荷為比例極限負(fù)荷P_p.與該點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限，用σ_p表示，也就是應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系的最大應(yīng)力。

2.負(fù)荷小于P_e時(shí)，材料的變形為彈性變形，大于P_e時(shí)則產(chǎn)生塑性變形，與該點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限σ_e.

3.當(dāng)負(fù)荷增大到一定值時(shí)，在負(fù)荷不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象叫屈服。屈服階段的最小負(fù)荷是屈服點(diǎn)的負(fù)荷P_s，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限，用σ_s表示。

【提示】對(duì)沒有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，用產(chǎn)生0.2％殘余變形的應(yīng)力作為條件屈服極限。

4.當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一個(gè)最大值P_b，試樣的某一截面開始急劇縮小，致使負(fù)荷下降，該負(fù)荷為強(qiáng)度極限負(fù)荷。與之相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度，用σ_b表示。它是材料拉斷前的最大應(yīng)力。

5.當(dāng)負(fù)荷達(dá)到P_K時(shí)，試樣斷裂。這個(gè)負(fù)荷稱為斷裂負(fù)荷。

【提示】屈服極限σ_s、強(qiáng)度極限σ_b是評(píng)價(jià)材料靜強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

【小結(jié)】

（四）許用應(yīng)力

二、疲勞及疲勞壽命

靜應(yīng)力：靜應(yīng)力就是應(yīng)力的大小和方向不隨時(shí)間而改變。

交變應(yīng)力：它是指應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間呈周期性的變化的應(yīng)力。

疲勞壽命：材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。

【提示】根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分為高周疲勞和低周疲勞，在機(jī)械工程中最常見的疲勞是高周疲勞。鍋爐受到的是低周疲勞（第八章）

三、疲勞壽命曲線

1.零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用疲勞壽命曲線表示（S－N曲線）

（1）種類：應(yīng)力-壽命曲線（σ-N曲線），應(yīng)變-壽命曲線（δ-N曲線）。

（2）數(shù)學(xué)表達(dá)式：σ^mN＝C?。?－7）

式中：m、C——材料常數(shù)。

【小結(jié)1】水平起始點(diǎn)M對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σ叫做疲勞極限。①疲勞極限：是可以承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不會(huì)發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。②疲勞極限比材料靜強(qiáng)度極限要低得多。

【小結(jié)2】對(duì)應(yīng)M點(diǎn)的橫坐標(biāo)叫做循環(huán)基數(shù)，用符號(hào)N₀來(lái)表示，N₀一般是10⁷，但是對(duì)于具體的材料、具體的循環(huán)特征，N₀有所不同。

①在N₀點(diǎn)右邊的部分，是無(wú)限壽命區(qū)，如果承受的應(yīng)力小于疲勞極限，試件就可以承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞；

②N₀點(diǎn)左邊的區(qū)域?yàn)橛邢迚勖鼌^(qū)，又稱為條件疲勞極限，即當(dāng)材料所承受的最大應(yīng)力大于它的疲勞極限時(shí)，只能承受有限次應(yīng)力循環(huán)，而不能是無(wú)限次。

③N低于10⁴～10⁵時(shí)對(duì)應(yīng)的有限壽命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)。

④在有限壽命區(qū)，應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系用方程σ^mN＝C來(lái)表示。

【提示】S－N曲線是由標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試得出的，對(duì)于實(shí)際零件尺寸和表面狀態(tài)與試件有差異，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。

四、循環(huán)應(yīng)力的特性

（1）交變應(yīng)力的參數(shù)：最大應(yīng)力σ_max、最小應(yīng)力σ_min、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、循環(huán)特征。

r＝－1，稱之為對(duì)稱循環(huán)

【小結(jié)】疲勞極限的數(shù)值不僅和材料有關(guān)，還和循環(huán)特征有關(guān)，對(duì)稱循環(huán)條件下，最容易發(fā)生疲勞破壞，相應(yīng)的疲勞極限值最低，脈動(dòng)循環(huán)好一點(diǎn)，所以，對(duì)一種材料的疲勞極限通常用σ_r表示，r這個(gè)下標(biāo)代表循環(huán)特征，具體來(lái)說，對(duì)稱循環(huán)時(shí)，材料的疲勞極限用σ_－1表示，而脈動(dòng)循環(huán)時(shí)，材料的疲勞極限用σ₀表示，σ_－1小于σ₀.

（2）疲勞極限曲線

①A點(diǎn)表示對(duì)稱循環(huán)條件下的疲勞極限；

②B點(diǎn)表示σ_α接近于0時(shí)的疲勞極限；

③C點(diǎn)表示脈動(dòng)循環(huán)的疲勞極限。

【提示1】曲線上各點(diǎn)的疲勞壽命相等，這些曲線也稱等壽命曲線。

【提示2】工程上，常將這條曲線簡(jiǎn)化為ACB折線，或者直接簡(jiǎn)化為AB直線，雖降低了計(jì)算精確度，但更趨于安全。

五、疲勞極限

考慮零件的應(yīng)力循環(huán)特征、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)應(yīng)力集中等因素的零件疲勞極限如表6－1所示。

表6－1零件疲勞極限σ_rk 和τ_rk的計(jì)算公式

注：K_σ、K_τ為有效應(yīng)力集中系數(shù)；ε_σ、ε_τ為尺寸系數(shù)；β為表面狀態(tài)系數(shù)；ψ_σ、ψ_τ為不對(duì)稱循環(huán)系數(shù)；r為最小應(yīng)力σ_max與最大應(yīng)力σ_min的比值。

六、疲勞損傷積累理論

疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件所受的應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，每一次應(yīng)力循環(huán)都會(huì)對(duì)零件造成一定量的損傷，這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件將發(fā)生疲勞破壞。

線性損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨(dú)立的，總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加（帕姆格倫-邁因納定理）。

損傷率達(dá)到100％時(shí)，發(fā)生疲勞損壞。

令N為以循環(huán)數(shù)表示的疲勞壽命，上式可以改寫為：

七、疲勞壽命理論的應(yīng)用

機(jī)器設(shè)備主要失效形式是疲勞破壞。一般來(lái)講，設(shè)備的結(jié)構(gòu)壽命是決定整個(gè)設(shè)備自然使用壽命的基礎(chǔ)，如起重機(jī)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：主梁報(bào)廢即標(biāo)志著安全使用壽命的終結(jié)，可申請(qǐng)整車報(bào)廢。在機(jī)器設(shè)備評(píng)估中，疲勞壽命理論主要用于估算疲勞壽命和疲勞損傷。

1.對(duì)于重要設(shè)備的評(píng)估，我們必須根據(jù)設(shè)備所承受的實(shí)際載荷，使用疲勞壽命理論對(duì)設(shè)備的實(shí)際疲勞損傷程度和剩余壽命進(jìn)行計(jì)算。其基本步驟如下：

（1）統(tǒng)計(jì)計(jì)算危險(xiǎn)斷面各種載荷所對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)力σ_i及作用次數(shù)n_i；

（2）根據(jù)S-N曲線確定每一載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平σ_i下，達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)N_i；

（3）根據(jù)疲勞損傷積累理論計(jì)算每一應(yīng)力水平σ_i下的損傷率n_i/N_i；

（4）計(jì)算總損傷率 .

2.對(duì)于未進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的機(jī)器設(shè)備，疲勞壽命理論可以用來(lái)估算這些設(shè)備的剩余物理壽命，其基本步驟如下：

（1）確定危險(xiǎn)斷面。有限壽命計(jì)算需要先知道應(yīng)力值。計(jì)算時(shí)，首先分析承受載荷的情況，確定危險(xiǎn)截面及其所承受應(yīng)力的變化規(guī)律，并對(duì)這個(gè)截面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。如危險(xiǎn)截面無(wú)法完全確定，則應(yīng)對(duì)幾個(gè)可能截面進(jìn)行計(jì)算分析。

（2）確定應(yīng)力。計(jì)算每一個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

（3）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)每一個(gè)載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

（4）確定各系數(shù)?？紤]實(shí)際零件的形狀、尺寸及表面狀態(tài)，確定應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε、表面系數(shù)β及不對(duì)稱循環(huán)系數(shù)Ψ。

（5）計(jì)算修正后的應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β計(jì)算修正后零件的疲勞極限。

（6）計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命。查與σ_i對(duì)應(yīng)的N_i，并計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命。