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疲劳缺口系数的优化策略

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:缺口应力集中将使含缺口构件的疲劳强度降低,故Kf反映了缺口对疲劳性能的影响。疲劳缺口系数Kf与弹性应力集中系数Kt有关,Kt越大应力集中越强烈,疲劳寿命越短,Kf也越大。疲劳缺口系数Kf一般小于理论应力集中系数Kt。图5-2抗拉强度σb和缺口半径r 对缺口敏感因子q 的影响各国学者提出了很多有关应力集中系数Kt与疲劳应力集中系数Kf关系式[2]。另外,疲劳缺口敏感系数还与缺口的曲率半径有关,因此q 并不是材料常数。

疲劳缺口系数的优化策略

由于实际零件不可避免地有应力集中存在,所以必须考虑缺口对材料疲劳强度的影响。缺口越尖锐,疲劳极限下降越多。为了在不同材料和不同工艺状态下度量和比较缺口对材料疲劳强度的影响,通常引用疲劳应力集中系数(有效应力集中系数)Kf

σ-1和σ-1N分别为光滑与缺口试样的疲劳极限。Kf是大于1 的系数。缺口应力集中将使含缺口构件的疲劳强度降低,故Kf反映了缺口对疲劳性能的影响。疲劳缺口系数Kf弹性应力集中系数Kt有关,Kt越大应力集中越强烈,疲劳寿命越短,Kf也越大。但试验研究的结果表明,Kf并不等于Kt。疲劳缺口系数Kf一般小于理论应力集中系数Kt。这是由于缺口应力集中区的循环塑性应变使峰值应力降低的缘故。

引入疲劳缺口敏感度q,定义(试图消除缺口几何因素)为

照这种定义,0<q<1,当q 趋近于0 时表示对缺口完全不敏感,q=0 时,Kf=1,表明疲劳极限不因缺口存在而降低,即对缺口不敏感。q =1,Kf= Kt,即表示对缺口十分敏感。

在用q 来度量材料对缺口敏感程度时,有两点值得注意。其一是,q 随材料强度的增加而增加。其二是q 不单纯是材料常数,q 值的大小还决定于缺口尖锐度,如图5-2 所示。

图5-2 抗拉强度σb和缺口半径r 对缺口敏感因子q 的影响

各国学者提出了很多有关应力集中系数Kt与疲劳应力集中系数Kf关系式(平均应力为零)[2]。当Kt在1~4 变化时,有以下结论[3]

(1)当Kt较小时,Kf近似等于Kt,Kf略微低于Kf

(2)当尺寸不同但几何形状相同时,Kt相同,这与尺寸效应相关;

(3)当Kt较大时,Kf通常小于Kt,当Kt相同而几何形状不同时,Kf可不同;(www.xing528.com)

(4)对于相同的材料类型,当缺口的几何形状不同时,Kf可以在Kt取某一给定值时达到最大;

(5)晶粒的尺寸越小,Kf越大;

(6)材料性质的不均匀性增大时,q 减小,即Kf越小[4]

不均匀性增大使q 减小的原因是材质的不均匀性相当于内在的应力集中,在没有外加的应力集中时它已经存在,因此减少了材料对外加应力集中的敏感性。另外,疲劳缺口敏感系数还与缺口的曲率半径有关,因此q 并不是材料常数。疲劳缺口敏感系数q 可用Neuber 公式计算[5]

或Peterson 公式计算[6]

式中,r 为缺口半径;A 为与材料有关的参数;a 为与材料有关的参数,可用式(5-9)计算。

在高周疲劳范围内,缺口应力对于裂纹萌生和裂纹扩展的初始阶段虽不是唯一的影响因素,但往往是决定性因素,如图5-3 所示。

图5-3 不同缺口效应时结构钢的S-N 曲线

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