第05章 金属的疲劳.ppt

第五章金属的疲劳,在变动载荷下工作的工件（如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等），其失效形式主要是疲劳断裂。据统计，疲劳破坏在整个失效中约占80左右..,,第一节金属疲劳现象及特点1.变动载荷和循环应力（1）变动载荷（引起疲劳破坏的外力）是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力（也称循环应力）和无规随机变动应力。,,,,（2）循环应力循环应力可用以下参数来表示最大应力σmax最小应力σmix平均应力σmσm1/2σmaxσmix应力幅σa1/2σmax-σmix应力比rσmix/σmax,,（3）循环应力的种类对称交变应力σm0，r-1脉动应力σmσa﹥0,r0（齿轮、齿根的循环应力属于此情况）轴承应力为循环脉动压应力，σmσa﹤0,r-∞波动应力σm﹥σa，0﹤r﹤1（发动机缸盖螺栓的循环应力）不对称交变应力0﹤r﹤1。（发动机连杆的循环应力）,,,,实际生产中的变动应力往往是随机变动（如汽车、拖拉机和飞机的零件，在运行工作时因道路或云层的变化，其循环应力呈随机变化）。,,2.疲劳现象及特点（1）分类金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。按应力状态不同分弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按接触和环境情况不同分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。按断裂寿命和应力高低不同分高周疲劳（Nf﹥10-5，σ﹤σs，也称低应力疲劳）；低周疲劳（Nf102105，σ≧σs，有塑性应变发生。也称高应力疲劳﹥,,2.特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，是具有寿命的断裂。（2）疲劳是脆性断裂。（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。（4）疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区，这是疲劳断裂的主要断口特征。,,3.典型的疲劳宏观断口特征（三个不同的形貌区域）（1）疲劳源在断口形貌上为光亮度最大的区域。原因裂纹扩展速率最低；扩展循环次数最多；断口不断摩擦挤压。（2）疲劳区裂纹亚稳扩展形成的区域。在断口形貌上贝纹线为最主要的特征。（3）瞬断区裂纹最后失稳扩展形成的区域。断口形貌脆性材料为结晶状；韧性材料中心区为放射状或人字纹，边缘为剪切唇。,,,,第三节疲劳曲线及疲劳抗力1.疲劳曲线（作图p122）2.疲劳极限材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标；条件疲劳极限是材料抵抗规定循环周次而不疲劳断裂的强度指标。（二者均称疲劳强度）。,,,,（1）对称循环疲劳极限对称循环载荷有对称弯曲σ-1；对称扭转г-1；对称拉压σ-1P等。σ-1为最常见的对称循环疲劳极限。测试方法7-10个试样；从0.7σb至0.4σb选择几个应力水平；测出各试样的疲劳断裂周次N；以N107周次作为无限寿命的循环基数标定σ-1,,2）不对称循环疲劳极限σ图5-9为各种不对称疲劳曲线及疲劳极限。因实验条件的限制，很难得到。,,一般常用工程作图法，由疲劳图求得。根据作图方法不同，有两种疲劳图σa应力幅-σm平均应力疲劳图根据σm1/2σmaxσmix应力幅σa1/2σmax-σmix应力比rσmix/σmax可知A点σm0,r-1,σaσ-1;C点σa0;说明σmaxσmix，应力大小不改变，是静应力。r1,σm1/2σmaxσmixσmaxσb,,,,ABC曲线上其余各点的纵横坐标各代表每一r下，疲劳极限的σm和σa,σrσaσm。在ABC曲线上任取一点B与原点连接，其几何关系为tgaσa/σmσm1/2σmaxσmixσa1/2σmax-σmix,得出tgaσa/σmσmax1-σmix／σmax／σmax1σmix／σmax1-r/1r,,因此，知道r后，将其代入上述公式求得tga和a，而后从坐标原点O引直线，令其和横坐标的夹角等于a值，该直线与曲线ABC相交的交点B即所求的点，其纵横坐标之和即为相应r的疲劳极限，σrBσaBσmBσmax（σmix）-σm平均应力疲劳图（略）,,（3）不同应力状态下的疲劳极限钢σ-1P0.85σ-1铸铁σ-1P0.65σ-1钢及轻合金г-10.55σ-1铸铁г-10.80σ-1上述公式使用时在注意它们的使用范围。对称弯曲疲劳极限σ-1；对称扭转疲劳极限г-1；对称拉压疲劳极限σ-1P,,（4）疲劳极限与静强度间的关系结构钢σ-1P0.23（σSσbσ-10.27（σSσb铸铁σ-1P0.4σbσ-10.45σb铝合金σ-1P1/6σb7.5MPaσ-11/6σb-7.5MPa青铜σ-10.21σb,,三过载持久值及过载损伤界一般认为按σ–1确定许用应力是安全的，但实际情况下，机件不可避免要承受过载载荷。为此需研究过载持久值及过载损伤界。1.过载持久值在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次。也称为有限疲劳寿命。根据疲劳曲线的倾斜部分可以确定。疲劳曲线的倾斜部分的任一点相对应的应力称为耐久极限。,,2.过载损伤界（1）过载损伤（2）过载损伤界由实验确定方法先在高于σ–1的应力下运转一定周次后，再在σ–1下继续运转并测出疲劳寿命，如果寿命不缩短，则如果寿命不缩短，则反复实验得出图5-14P126,,,,四疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度qf来评定]qfkf-1/kt-1Kt---理论应力集中系数，可从有关手册中查找；Kf---σ-1/σ–1N疲劳缺口系数大于1，具体数值与缺口几何形状及材料等因素相关。,,第三节疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值前面所述的疲劳强度是用小试样测定的，未能反映裂纹的亚稳扩展问题，不能全面体现实际机件的结构疲劳强度，疲劳裂纹扩展性能是对疲劳强度的重要补充。一。疲劳裂纹扩展曲线用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹扩展情况，在疲劳试验机上测定疲劳扩展曲线。一般常用三点弯曲试样（TPB,中心裂纹试样（CCT,或紧凑拉伸试样（CD,先预制疲劳裂纹，随后在试验机上，在固定应力比r和应力幅△σ条件下，观察裂纹长度α随N循环扩展情况。裂纹的长度可用显微镜法或电位法测量，每循环一定周次Ni,测量αi，直到断裂为止。,,,,由图可见，在一定循环应力作用下，疲劳裂纹扩展时其长度α是不断增长的。如果用α-N曲线的斜率dα∕dN表示疲劳裂纹扩展速率，则扩展速率在扩展中也是不断增加的，，当加载循环周次达到Np是，α长大到临界裂纹尺寸αc，dα∕dN增大到无限在，裂纹失稳扩展而导致试样最后断裂。从α-N曲线可以看出，材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力大小有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。应用断裂力学裂纹尖端应力强度因子的概念，将△σ和α复合为应力强度因子范围△k。,,△kY△σ√α，从而建立由△k起控制作用的dα∕dN___△k曲线,,Ⅰ区是疲劳裂纹的初始扩展阶段，dα∕dN很小，约10-810-6mm∕周次；Ⅱ区是疲劳裂纹的扩展的主要阶段，占亚稳扩展的绝大部分，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要组成部分。dα∕dN增大，约10-510-2mm∕周次；Ⅲ区是疲劳裂纹的扩展最后阶段，dα∕dN很大，只需很少周次即会导致材料失稳断裂，因此该区所占寿命不长。,,二疲劳裂纹扩展门槛值当△k≤△kth时，dα∕dN0，表示裂纹不扩展，因此△kth是疲劳裂纹不扩展的△k临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。。△kth表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能，其值越大，阻止裂纹开始疲劳扩展的能力越大。单位与K相同，MN.m-3/2可MPa.m-1/2△kth与疲劳极限强度σ-1相似，都是表示无限寿命的疲劳性能，不同点是σ-1是光滑试样，用于传统的疲劳强度设计和校核；△kth是裂纹试样，用于裂纹件的设计与校核。实际金属的△kth很小，约5-10kIC，如钢△kth≤9MPa.m-1/2；铝合金△kth≤4MPa.m-1/2,,第六节低周疲劳一低周疲劳1.定义循环应力较高，超过材料的屈服极限而发生塑性应变，也称塑性或应变疲劳。疲劳寿命为,,2.低周疲劳的特点（1）应力-应变之间呈循环回线；总应变幅εt，塑性应变幅εp；图5-45（2）不能用σ–N曲线，改用σ–εt曲线；图5-46（3）断口形貌与低周疲劳断口不同；（4）低周疲劳寿命决定一塑性应变幅，高周疲劳寿命决定于应力幅与应力场强度因子。,,,,,,3.低周疲劳的循环硬化与循环软化1循环硬化金属材料在恒定的应变幅循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加。2循环软化金属材料在恒定的应变幅循环作用下，随循环周次增加其应力不断减小。一般状态下σb/σS1.4时表现为循环硬化；σb/σS小于1.2时表现为循环软化,,,,4.低周疲劳的应变-寿命（△ε-N）曲线（1）△εt-N曲线△εt△εe△εp从图中可见，高、低周疲劳的主要区别是△εe、△εp的相对比例不同。在高周疲劳范围内，弹性应变幅△εe起主导作用，在低周疲劳范围内，塑性应变幅△εp起主导作用。两条直线的斜率不同，故存在一个交点。交点对应的寿命称过渡寿命。过渡寿命与材料性能有关，一般是提高强度使交点左移，而提高塑性使交点右移。高强度材料过渡寿命可能少至10次，低强度材料则可能超过2△εp-Nf曲线,,,,二热疲劳定义机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下，发生的疲劳。若温度循环各机械应力循环叠加所引起的疲劳则为热机械疲劳。热疲劳抗力通常以一定温度下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定循环次数下产生疲劳裂纹的长度来表示。热疲劳后抗力一般与材料的热传导、比热容等热学性质有关，而且与弹性模量、屈服强度等力学性能及密度、几何因素等有关。一般脆性材料导热性差，热应力得不到应有的塑性松弛，故热疲劳危险性大。提高热疲劳抗力的主要途径是减少线膨胀系数；提高高温强度；减少应力、应变集中；提高局部塑性，以迅速消除应力集中。,,三冲击疲劳定义机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。冲击疲劳曲线与一般疲劳曲线相似，可以由冲击疲劳曲线确定冲击极限。也可用一定冲击能量下的冲断周次N或用要求的冲断次数时的冲断能量表示。直接用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简单，应用较广。金属的冲击疲劳是取决于强度与塑性的综合力学性能，它的变化规律有1.冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性，冲击能量低时，主要决定于强度。多次承受冲击载荷作用的机件，其服役寿命在数百万次以上，属于小能量冲击，其冲击疲劳抗力主要取决于强度，不必过于要求塑性与冲击韧性。,,,