《材料力学性能配套教学课件时海芳ppt第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能配套教学课件时海芳ppt第五章（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 金属的疲劳,第五章 金属的疲劳, 很多零件、部件在变动载荷下工作，其主要失效形式是疲劳断裂。零件80以上的失效属于疲劳破坏,案例1：1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡，造成事故的原因是一节车箱的车轮内部疲劳断裂。从而导致了近50年来德国最惨重的铁路事故的发生。,案例2：中华航空公司编号B-18255，波音747-200型客机，2002年5月25日下午3时28分，从台北中正机场起飞，在起飞后20分钟，坠海失事。机上乘客人数203人。,这架飞机总飞行时间：64,810小时。,案例3：导致哥伦比亚航天飞机2003年2月1日返回途中爆炸解体的5个原因：
2、,第五章 金属的疲劳,阻热片脱落,升降翼失去控制,机体金属疲劳导致解体,电缆短路发生火灾,被陨石击中,金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的主要因素 低周疲劳,第五章 金属的疲劳,1 金属疲劳现象及特点,一、变动载荷和循环应力,二、疲劳现象及特点,三、疲劳宏观断口特征,第五章 金属的疲劳,1 金属疲劳现象及特点,工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为疲劳。,疲劳断裂可以在很低的应力下发生，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生 命的损失。
3、,研究疲劳主要是研究材料在变动载荷作用下的力学响应、裂纹萌生和扩展特性。,对于评定工程材料的疲劳抗力，进而为工程结构部件的抗疲劳设计、评估构件的疲劳寿命以及寻求改善工程材料的疲劳抗力的途径等都是非常重要的。,一、变动载荷和循环应力,1.变动载荷（应力）,指大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或无规则随机变化的载荷（应力）。,变动载荷(应力)的种类:,1 金属疲劳现象及特点,规则周期变动应力（循环应力）,无规则变化的随机变动应力,1 金属疲劳现象及特点,2. 循环应力,1）基本参量,2) 常见的循环应力,a.对称交变应力,轴类,b.脉动应力,齿根弯曲,c.波动应力,轴承,发动机盖螺栓,d
4、.不对称交变应力,连杆,1 金属疲劳现象及特点,二、疲劳现象及特点,疲劳机件在变动载荷和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。,1. 分类,按载荷类型分：,弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。,按环境和接触情况分:,大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。,按应力大小和寿命分:,高周疲劳,低周疲劳,高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf105周次，断裂应力水平较低，s，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳都属于此类。,低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次断裂应力水平较高，s，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳。,1 金属疲劳现象及特点,2.疲劳破坏特征,
5、与静载荷或一次冲击载荷下的断裂相比，疲劳断裂有如下的特点：,1）低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。断裂应力往往低于抗拉强度甚至屈服强度，且寿命与应力大小有关。应力高，则寿命短；应力小，则寿命长。,2）是脆性断裂，断裂时没有发生塑性变形，是突发性的，无预兆。,3）对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)，尤其是表面缺陷十分敏感。裂纹往往从局部的破坏处开始。,4）疲劳分裂纹萌生和扩展两个阶段：清楚显示裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分，即疲劳源疲劳裂纹扩展区断裂区。,疲劳宏观断口,1 金属疲劳现象及特点,断口分三个区：疲劳源、疲劳区、瞬间断裂区,1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、裂纹
6、、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区域（有应力集中）。,当材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点）时，因局部强度的降低，也会在材料内部产生疲劳源。,形貌特点：光亮度大，扩展速小，断面不断摩擦挤压，且有加工硬化发生。,机理：裂纹扩展速率低，N大，不断挤压摩擦,1 金属疲劳现象及特点,2）疲劳区：裂纹亚稳扩展所形成的。,特征：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样）， 有时还有裂纹扩展台阶。,贝纹线：平行弧线，间距不同；在裂纹源附近， 线条细密、扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、 扩展较快。,1 金属疲劳现象及特点,3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。,特征：表面粗糙；脆性材料为结晶
7、状，塑性材料为纤维区。,当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、相邻 疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺序。,贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇,裂纹源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。,瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快的结果,规律：,高名义应力光滑试样：无应力集中，裂纹产生于表面，裂纹由疲劳源向四周扩展，其速率基本相同，贝纹线呈圆状，若应力高，瞬间断裂区所占比例大。,高应力缺口
8、试样：应力集中，裂纹两侧扩展快，呈波浪状。,低应力：疲劳裂纹扩展充分，疲劳区占面积比重大,脉动拉、拉压、单弯：只有一个裂纹源,双弯：两个裂纹源,低应力旋转弯曲：瞬间断裂区相对于裂纹源沿旋转方向的逆向偏一角度。,1 金属疲劳现象及特点,扭转高应力光滑试样断口与轴向呈45角,低应力光滑试样断口与轴向垂直,缺口样：断口锯齿状，裂纹于表面生成,在正、反向扭矩作用下，分别沿+45、-45方向扩展相交而成。,第五章 金属的疲劳,2 高周疲劳,高周疲劳是指试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命105周次的疲劳过程。,由于这种疲劳中所施加的交变应力水平处于材料的弹性变形范围内，所以从理论上讲，试验中既可以
9、控制应力，也可以控制应变，但在试验方法上控制应力要比控制应变容易得多。因此，又可称做应力疲劳。,高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的，并以材料最大应力max或者应力幅a对循环寿命N的关系（即S-N曲线）和疲劳极限来表征材料的疲劳特性和指标。,一、S-N(疲劳)曲线和疲劳极限,1860年，维勒（Whler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线（ S-N曲线）和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。,S-N曲线是仿照火车轴的失效，用旋转弯曲疲劳试验方法测得的。,2 高周疲劳,优点：方法简单，求出的疲劳极限，能和拉-压疲劳，扭转疲劳乃至与静拉伸时的抗拉强度建立一定 的关系，并且能推广得知
10、不对称循环的疲劳强度。,1.试验条件：,(1) 纯弯曲；,(2) 对称循环(m =0，r-1) ；,(3) 应力幅恒定( 0.4b 0.7b )；,(4) 频率在3000-104次/分；,(5) 小试样有足够大的过渡圆角，表面经抛光；,(6) 测不同应力幅下的疲劳寿命N,2.试验方法：,典型的S-N曲线是由有限寿命（中等寿命）和长寿命（疲劳极限或条件疲劳极限）两部分组成。,2 高周疲劳,在S- N曲线的测试中，由于疲劳试验数据分散性大，若每个应力水平下只测定一个数据，则测得S-N曲线的精度较差。,为得到较为可靠的试验结果，一般疲劳极限-1（或条件疲劳极限）采用升降法测定，而有限寿命部分则采用成
11、组试验法测定。,然后将上述试验数据整理，拟合成疲劳曲线。,用升降法测定疲劳极限时，有效试样数一般大于13根, 试验取3-5级应力水平，每级应力增量一般为-1的(3-5)%。,第一根试样的应力水平应略高于-1，如果无法预计 -1 ，则对一般材料取(0.45-0.50) b。,第二根试样的应力水平根据第一根试样结果(破坏“”表示或通过 “”表示)，如果第一根试样断裂，则对第二根试样施加的应力降低（3-5）%，反之，要升高(3-5)%,2 高周疲劳,照此方法，直到得到13个以上有效数据为止。,处理试验结果时，将出现第一对相反结果以前的数据均舍去，如上图中第3点和第4点是第一对出现相反结果的点，因此点
12、1和点2的数据应舍去，余下数据点均为有效试验数据。条件疲劳极限R (N)的计算式为:,m为有效试验的总次数（断与未断均计算在内）；,n为试验的应力水平级数；,i为第i级应力水平；,Vi 为第i级应力水平下的试验次数。,例：40CrNiMo钢调质处理试样的条件疲劳极限：,2 高周疲劳,R (N)=1/13 (2546.7+5519.4+ 5492.1+1464.8)508.9MPa,用升降法测定条件疲劳极限时要注意：,1）应力水平的确定；第一级应力水平应略高于预计的条件疲劳极限；应力增量一般为预计条件疲劳极限的3%5%。,2）评定升降图是否有效可根据以下两条来评定：,有效数据数量必须大于13个；
13、,“”和“”的比例大体上各占一半。,有限寿命部分通常用45级应力水平的常规成组疲劳试验方法来测定。,在每级应力水平下测35个试样的数据，然后进行数据处理，计算出中值（存活率为50%）疲劳寿命，最后再将测定的结果在坐标上拟合成S-N曲线。,2 高周疲劳,S-N曲线的拟合，有两种基本方法：,1）逐点描绘法,用曲线板把各数据点连接起来，使曲线两侧的数据点与曲线的偏离大致相等,2 高周疲劳,2）直线拟合法,一般仅拟合有限寿命区。对钢而言，整个S-N曲线由有限寿命S-N直线和长寿命的水平线两部分组成，在两直线相交处用圆角过渡。,可以拟合出其直线方程：,lgN=9.52-0.00617 ,按上式出直线上任
14、意两点的坐标，便可画出这条直线；这就是最佳拟合的直线。,2 高周疲劳,3.典型的S-N曲线,从某循环周次开始出现明显的水平部分，对于一般具有应变时效的金属材料，如中、低强度钢，球铁等通常具有这种特性。,a) 有水平部分,表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为-1（对称循环，r=-1）。,如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。,2 高周疲劳,b) 无水平部分,对高强度钢、不锈钢和大多数非铁金属，如钛合金、铝合金以及钢铁材料在腐蚀介质中，没有水平 部分，其特点是随应力降低循环周次不断增大
15、，不 存在无限寿命。,在这种情况下，常根据实际需要给出一定循环周次（108或5107周次）所对应的应力，作为材料的“条件疲劳极限”，记作r (N)。,疲劳试验结果的分散性,由于载荷波动、试样装夹精度、试样表面状态、材料本身的不均匀性或缺陷等因素的影响，使得试验数据分布在相当广的分散带内。,疲劳分散带随应力水平的降低而加宽，随材料强度水平的提高而加宽。,2 高周疲劳,如果按上述常规成组法测定的存活率为50%的S-N 曲线作为设计依据的话，意味着有50%的产品在达到预期寿命之前会出现早期破坏。,在工程中，对一些重要场合，需要严格控制失效概率，因此作为设计依 据的S-N曲线上应同时标明失效概率P(P
16、=1-存活率)。,2 高周疲劳,2 高周疲劳,4.循环应力特性对S-N曲线的影响,循环应力特性主要包括平均应力 m ，应力幅a和应力比r以及加载方式（应力状态）。,1) 平均应力的影响,a）max相同,r3r2r1(=-1),随平均应力的增高，循环不对称程度加大，交变应力幅占循环 应力的分数越来越小，造成的损伤也越来越小，使曲线向上移动，疲劳抗力增加。,在极限情况下， m =max，r=0相当于偏位伸。,b）a相同,r3r2(=0)r1(=-1),循环应力特性对S-N曲线的影响,随着平均应力升高，不对称程度越来越严重，作用在等体积材料中的应力水 平越来越高，疲劳损伤加剧，S-N曲线向下移动。疲劳抗力降低。,2）应力状态的影响,不同应力状态下的疲劳应力-寿命曲线不同，相应的疲劳极限也不相等。,通常剪切应力幅度的疲劳曲线 低于拉压应力幅的疲劳曲线。,不同应力状态的疲劳极限间的经验关系：,钢材的拉压疲劳与弯扭疲劳,铸铁的拉压疲劳
