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σm σm=1/2( σmax+σmix) 应力幅σa= 1/2( σmax-σmix) 应力比r= σmix/ σmax （3）循环应力的种类 对称交变应力： σm=0，r=-1 脉动应力 ： σm= σa﹥0, r=0 （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， σm= σa﹤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﹤ σ s，也称低应力疲劳）；低周疲劳（ Nf=102~105，σ≧ σ s，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0.7 σb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N=107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：σm=1/2( σmax+σmix) 应力幅σa= 1/2( σmax-σmix) 应力比r= σmix/ σmax可知： A点： σm=0, r= -1, σa= σ-1; C点： σa= 0;说明σmax=σmix， 应力大小不改变，是静应力。 r= 1, σm=1/2( σmax+σmix)= σmax= σb 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, σ r = σa +σm。 在ABC曲线上任取一点B与原点连接，其几何关系为tg a = σa /σm σm=1/2( σmax+σmix) σa= 1/2( σmax-σmix), 得出： tg a = σa /σm = σmax(1-σmix／ σmax) ／ σmax(1+σmix／ σmax) =1-r/1+r 因此，知道r后，将其代入上述公式求得tg a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， σ rB = σaB +σmB σ max（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-1P = 0.85σ-1 铸铁：σ-1P =