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材料的疲劳性能
一.本章的教学目的与要求
本章主要介绍材料的疲劳性能,要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点,疲劳断口的宏观特征,金属以及非金属材料疲劳破坏的机理,各种疲劳抗力指标,例如疲劳强度,过载持久值,疲劳缺口敏感度,疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值,影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素,目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。
二.教学重点与难点
三.主要外语词汇
疲劳强度:fatigue strength 断口:fracture 过载持久值:overload of lasting value疲劳缺口敏感度:fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率:fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值:threshold of crack propagation 热疲劳:thermal fatigue
四. 参考文献
2.束德林.金属力学性能.北京:机械工业出版社,1995
3.石德珂,金志浩等.材料力学性能.西安:西安交通大学出版社,1996
4.郑修麟.材料的力学性能.西安:西北工业大学出版社,1994
5.姜伟之,赵时熙等.工程材料力学性能.北京:北京航空航天大学出版社,19916.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报,2010,24(5):78-81
五.授课内容
第五章 材料的疲劳性能
第一节 疲劳破坏的一般规律
1、疲劳的定义
材料在变动载荷和应变的长期作用下,因累积损伤而引起的断裂现象,称为疲劳。
2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动应力:变动载荷在单位面积上的平均值
分为:规则周期变动应力和无规则随机变动应力
3、循环载荷(应力)的表征
①最大循环应力:σmax
②最小循环应力:σmin
③平均应力: σm=(σmax +σmin)/2
④应力幅σa或应力范围Δσ:Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2
⑤应力比(或称循环应力特征系数): r= σmin/σmax
5、循环应力分类
按平均应力、应力幅、应力比的不同,循环应力分为
① 对称循环σm=(σmax + σmin)/2=0 r=-1
属于此类的有:大多数旋转轴类零件。
② 不对称循环
σm≠0
如:发动机连杆、螺栓
a)σa σm0,-1r0
(b)σa 0,σm0,r-1
③ 脉动循环
σm=σa0,r=0(σmin=0)如:齿轮的齿根、压力容器。
σm=σa0,r=∞(σmax=0)如:轴承(压应力)
④ 波动循环
σm σa 0r1 σmin0 如:发动机气缸盖、螺栓。
⑤ 随机变动应力
应力大小、方向随机变化,无规律性。 如:汽车、飞机零件、轮船。
二、疲劳破坏的特点
在变动载荷作用下,材料薄弱区域,逐渐发生损伤,损伤累积到一定程度→产生裂纹,裂纹不断扩展→失稳断裂。
特点:从局部区域开始的损伤,不断累积,最终引起整体破坏。
1、潜藏的突发性破坏,脆性断裂(即使是塑性材料)。
2、属低应力循环延时断裂(滞后断裂)。
3、对缺陷十分敏感(可加速疲劳进程)。
三、疲劳破坏的分类
1、按应力状态 弯曲疲劳
扭转疲劳
拉压疲劳
接触疲劳
复合疲劳
2、按应力大小和断裂寿命
N105,ббs 高周疲劳→低应力疲劳
N=102~105,б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳
四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命
疲劳寿命:材料疲劳失效前的工作时间,即循环次数N。
疲劳曲线: 应力б↑,N↓
五、疲劳断口的宏观特征
典型疲劳断口具有3个特征区:疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区
1、疲劳源
疲劳裂纹萌生区,多出现在零件表面,与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。
特征:光亮,因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。
疲劳源可以是一个,也可以有多个。如:单向弯曲,只有一个疲劳源;双向弯曲,可出现两个疲劳源。
2、疲劳裂纹扩展区(亚临界扩展区)
特征:断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。
贝纹线是疲劳区最典型的特征,是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线,凹侧指向疲劳源,凸侧指向裂纹扩展方向,近疲劳源区贝纹线较细密(裂纹扩展较慢),远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙(裂纹扩展较快)。
贝纹线(海滩花样)
贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性,高名义应力或材料韧性较差时,贝纹线区不明显;反之,低名义应力或高韧性材料,贝纹线粗且明显,范围大。
名义载荷
根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷
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