机械强度及理论(何雪浤)..ppt

* 6.3.1 金属材料的拉伸特性 工程应力和工程应变 真应力和真应变 * 6.3.2 材料的S—N曲线 应力—寿命曲线 * 6.3.2 材料的S—N曲线 应变—寿命曲线 * 6.3.3 材料的循环硬化和循环软化 控制应力下材料的滞后回线 * 6.3.3 材料的循环硬化和循环软化 控制应变下材料的滞后回线 * 6.3.3 材料的循环硬化和循环软化 金属材料的循环硬化和循环软化曲线 一般说来，退火的金属材料产生循环硬化，冷加工材料产生循环软化。 屈强比较大材料产生循环硬化，较小材料产生循环软化。 * 疲劳宏观断口 扭转应力作用下的疲劳断口 * 疲劳宏观断口 阶梯轴的锯齿形断口 * 疲劳宏观断口 阶梯轴弯曲应力下的皿型断口 * 疲劳宏观断口 阶梯轴复合应力下的棘轮状断口 * 6.1.2 疲劳的分类 按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳； 按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳； 按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳 按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳 按工作环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、… * 6.1.3 疲劳破环的过程 裂纹扩展的第一阶段 裂纹成核阶段 微观裂纹扩展阶段 裂纹扩展的第二阶段 宏观裂纹扩展阶段 断裂阶段 疲劳裂纹形成阶段（寿命Ni） 疲劳裂纹扩展阶段（寿命Np） * 疲劳断口微观特征 1. 疲劳裂纹的形成 金属结构材料多数为多晶体。晶粒内的滑移是由沿着晶面移动的位错造成的。这样就使一个晶粒内出现一个或几个滑移面。这些滑移可以用光学或电子显微镜观测到。 随着循环载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变粗，形成滑移带。试验证明，滑移带的形成并不一定都造成裂纹，只有少数滑移带可能变得更加明显。这种滑移带称“驻留滑移带”。 * 疲劳断口微观特征 由于滑移结果，特别是在驻留滑移带上形成“挤出”或“挤入”现象，继续循环加载，挤入部分向滑移带纵深发展，从而形成疲劳微裂纹，如图所示。以后裂纹沿滑移带方向扩展，并穿过晶粒，直到形成宏观裂纹。 表面滑移带开裂示意图 * 疲劳断口微观特征 结论： 零构件在疲劳载荷作用下，因位错运动而造成滑移带是产生疲劳裂纹最根本原因。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中，促使疲劳裂纹的形成。 * 疲劳断口微观特征 2. 疲劳裂纹的扩展 第一个阶段：当疲劳裂纹核心一旦在零件表面滑移带或缺陷处形成后，立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力呈45?角，所以，第一阶段裂纹总是沿着最大切应力方向的滑移面扩展。 第二阶段：裂纹在第一阶段扩展的深度很浅，大约只有零点几个毫米，其范围在2—5个晶粒之内。然后将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响，这就是裂纹扩展的第二阶段。 * * 疲劳断口微观特征 对于一般材料来说，尽管第一阶段裂纹扩展深度很浅，但它对疲劳寿命的贡献却随疲劳应力幅的不同而有很大的不同。对应力幅较高的，如低周疲劳，第一阶段扩展在疲劳总寿命中所占的比例较低，第二阶段扩展是主要的，疲劳寿命主要决定于第二阶段扩展。但对于比较低的应力幅，则光滑试样疲劳总寿命至少有90％以上是由第一阶段扩展所贡献。 * 疲劳断口微观特征 3. 疲劳裂纹形成机理 “塑性钝化”模型。 在未加载荷时裂纹形态如图中（a）。 在加载段拉应力作用下，裂纹张开，裂纹前端两个小切口使滑移集中于与裂纹平面成45?角的滑移带上，二个滑移带互相垂直如（b）。 当拉应力达到最大值时，裂纹因变形,应力集中效应消失，裂纹前端滑移带变宽，裂纹前端钝化，呈半圆状，在此过程中产生新的表面并使裂纹向前扩展，如图中（c）。 转入卸载后半期，沿滑移带向相反方向滑移，如图中（d），裂纹前端相互挤压，在加载半周期形成的新表面被压向裂纹平面，其中一部分发生折迭而形成新的切口，如图中（c），结果造成一个新的疲劳纹，其间距为c。 如此循环往复，裂纹不断向前扩展。不断形成疲劳纹。 * * 疲劳断口微观特征 4. 疲劳裂纹第二扩展阶段的微观特征 疲劳裂纹扩展第二阶段主要特征是疲劳纹存在。一般疲劳纹具有如下特点： 疲劳纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直。 每一个条纹代表着一次载荷循环，每条疲劳纹都表示该循环下裂纹前端的位置，在数量上疲劳纹与载荷循环次数相等。 疲劳纹间距（或宽度）随应力强度因子幅的变化而变化。 在疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断块所组成，每个小断块上的疲劳纹连续而平行，但相邻小断块上的疲劳纹不连续，不平行。 断口两侧断面上的疲劳纹基本对应。在实际断口中，疲劳纹的数量未必与循环次数相等，尤其它受应力状态等因素的影响很大。 * * 疲劳断口微观特征 两种不同类型的疲劳