剪切应力的S-N疲劳曲线

2011-07-27

结构工程

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S-N曲线为二维曲线，以对数尺度表示X-Y轴上的破坏周期(N)和剪应力周期(S)。绘制这些曲线的前提是应力必须是周期性的。每一种材料在承受交替或循环载荷时，如果载荷超过其抗力，就会失效。但是，如果在小于材料的预计电阻的载荷下发生破裂，则称为乏力．影响材料抗力的主要因素，即“耐久极限”，包括:

腐蚀环境
温度变化。
表面光洁度和暴露面积。
级。

疲劳断裂的主要原因是连续加载产生的小裂纹。每一次加载，这些裂缝就会变大，导致过早失效。Wöhler曲线有助于确定可施加在材料上的剪应力的上限。

绘制Wöhler曲线

绘制S-N曲线包括绘制从寿命到失效的初始应变。在实验室中，施加正弦应力，这个过程被称为优惠券测试的过程。这些曲线也被称为压力-生活图。例如，让我们考虑弹簧等压缩构件的疲劳行为。下图分为三个不同的区域。

区域1表示格环疲劳的面积。在这个区域，破裂发生在非常小的变化和材料经常遭受塑性变形。

区域2表示耐力有限的区域。

区域3被称为低约束下的安全区。

现在让我们考虑一条理想的S-N曲线，它是一条直线。通过近似应力曲线，我们可以计算出应力幅值。该曲线用于确定巴斯昆斜率。

应力幅值

N1 = N2 (S1 / S2)1/b为不同时间间隔下两个失效周期之间的一般关系。

巴斯昆斜率由公式确定:

b = -[(logS1 - logS2)/ (logn2 - logN1)]，其中

S1、S2为对应破坏循环次数的应力值，分别用N1、N2表示。b为S-N曲线的斜率。

一旦确定了曲线的斜率，就很容易求出曲线上任意两个S-N值的应力幅值。

Wöhler曲线还可用于确定不同材料的疲劳比值。疲劳极限可定义为材料的极限强度(Su)与耐久性极限(Se)之比。疲劳极限值通常在0.25 ~ 0.60之间变化。

例如，钢的疲劳比表示为Se = 0.55 Su。

缺口是指构件表面的不连续性，缺口在决定被测材料的应力值方面起着重要作用。这些不连续也被称为压力集中因子。构件的应力集中系数计算为Kt= (Smax/S)，其中Smax为构件的最大局部应力，S为构件的名义应力。在Kt的帮助下，我们可以利用剪切应力的S-N疲劳曲线来确定疲劳缺口因子。疲劳缺口系数与

非缺口疲劳强度，是钢等铁类构件的耐久极限，是构件的缺口疲劳强度:

Kf = Se(非缺口)/ Se(缺口)，Se(非缺口)仅在理想条件下实现。

Wöhler曲线的应用

Wöhler曲线的使用范围很广。它们主要用于建筑行业。除此之外，它们还用于航空航天工业，重型起重机，桥梁和航运，铁路工业，海上钻井和石油化工行业。S-N曲线对设计工程师非常有帮助，因为预测结构或建筑物能承受的安全载荷对安全设计非常重要。不同的规范和法规将确保结构构件能够承受循环载荷作为首要任务。有一种改进的Wöhler曲线法，用于确定关节强度。焊接接头，由钢和铝制成的铆接接头可以接受测试，并在Wöhler曲线的帮助下，可以预测安全设计剪应力。在设计时，不使用Wöhler曲线值，并考虑10-15%的安全裕度。