疲劳断裂讲义详解.ppt

疲劳断裂讲义 第一节 交变应力与疲劳破坏现象 第二节 疲劳破坏机制 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 第四节 疲劳断裂力学 第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素 第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法 第一节 交变应力与疲劳破坏现象 结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发生，损伤严重。→ 事先预防是关键！ 交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。例如：火车的轮轴。 交变应力→构件中点的应力状态随时间而作周期性变化的应力。 齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随 时间作周期性变化。 从构件的应力-时间曲线中可看出： 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转一周就要从最大值σmax变到最小值σmin ，然后又恢复到最大值，即：轴每转一周， 应力就完成一次循环, 称为一个应力循环。∣ σmax ∣= ∣ σmin ∣ 为对称循环，否则为非对称循环。 交变应力的几个名词术语: 交变应力的几种模式： （3）稳定交变应力： 交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。 构件在交变应力下，当最大应力低于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。 即使是塑性较好的材料断裂前也无明显的塑性变形。 B. 疲劳破坏的分类 屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。 通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳限特性→对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。 依疲劳寿命N f 来分类： 许多应用的工程零件无需承受数万次循环（即Nf＜105），如：汽车启动器上的弹簧零件、热交换管及涡轮转子和叶片等。 → 依此循环寿命进行零件设计，可大 量减轻零件质量，降低生产成本。 典型的应变-寿命关系曲线 Coffin与Manson提出材料塑性变形与疲劳寿命之间的关系式： → 不同性质材料的应变-寿命曲线 ④循环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显 第二节 疲劳破坏机制 疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即： 疲劳微裂缝形成 疲劳裂纹扩展 最终失效断裂 A.疲劳微裂缝形成 表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材料差异导致的强度最弱的地方。 铜单晶中PSB上的挤出与挤入区实际照片 B.疲劳微裂缝成长 成长速率与成长方向为局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。 疲劳裂缝成长，依先后顺序分成： ◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行 第I阶段： 疲劳裂缝沿PSB方向进行 疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成长，使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢，且为单一滑移。 若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移，将有利于第I阶段的成长。 第II阶段： 疲劳裂缝垂直应力方向进行 当疲劳裂缝前端的塑性变形由单一滑移进入多重滑移或是疲劳裂缝成长被障碍物阻挡时会进入第II阶段,且成长速度加快,成长方向改变为垂直于应力方向进行. 疲劳裂缝尖端反复地塑性钝化和尖锐化,逐渐生长成宏观疲劳裂纹,而达到临界裂纹长度. C.最终失效断裂 当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料本身剩下的截面积将无法承受所施加的负荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异常快速且具有毁灭性的材料失效. 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 A. 宏观特征(Macroscopic Character) 疲劳破坏的发展模式导致断口在宏观上分成两个表面形态完全不同的区域. 光滑平整的疲劳破坏区 疲劳裂纹的起始区域, 其成长缓慢, 每循环周期由于变形而使疲劳裂纹表面前后相互摩擦而得到类似磨亮抛光的表面。 有时光滑平整的疲劳破坏区会出现贝纹线(常近似同心半圆，圆心即裂纹源), 其成因是应力振幅的大小不同(低应力时疲劳裂纹减缓或停止成长, 高应力时疲劳裂纹继续或加速成长) 。 应根