疲劳强度分析.doc

疲 劳 强 度 疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。 疲劳的分类： 按研究对象:材料疲劳和结构疲劳 按失效周次:高周疲劳和低周疲劳 按应力状态:单轴疲劳和多轴疲劳 按载荷变化情况:恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳 按载荷工况和工作环境:常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。 第一章 疲劳破坏的特征和断口分析 §1-1 疲劳破坏的特征 疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征： （1）在交变裁荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限（）的情况下，破坏就可能发生。 （2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。 （3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。 （4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即(I)裂纹(成核)形成，(II)裂纹扩展，(III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂。 （5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。图1-1及图l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源)，疲劳裂纹扩展区(常称光滑区)及快速断裂区(也称瞬时破断区，常呈粗粒状)。 §1-2 疲劳破坏的断口分析 宏观分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。 微观分析：用光学显微镜或电子显微镜(包括透射型及扫描型)研究断口。 1、断口宏观分析： (I) 疲劳源：是疲劳破坏的起点，常发生在表面，特别是应力集中严重的地方。如果内部存在缺陷(如脆性夹杂物、空洞、化学成份偏析等)，也可在表皮下或内部发生。另外，零件间相互擦伤的地方也常是疲劳破坏开始的地方。 (II)光滑区：是疲劳断口最重要的特征区域，常呈贝壳状或海滩波纹状。这是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，它多见于低应力高周疲劳破坏断口。 (Ⅲ)瞬断区：其大小常和材料、应力高低、有无应力集中等因素有关。一般应力较高、材料较脆时，快速断裂区面积较大；反之，应力较低、材料韧性较大时，快速断裂区面积就较小。 2、断口微观分析 （1）裂纹的形成：在疲劳载荷的作用下，塑性应变的累积与疲劳裂纹的形成有着密切的关系，而由位错造成的滑移带是产生疲劳裂纹的最根本的原因。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖锐缺口的作用，促进疲劳裂纹的形成。 （2）疲劳裂纹的扩展： 第Ⅰ阶段：从疲劳核心开始沿着滑移带的主滑移面向金属内部扩展，滑移面的取向大致与主应力轴成 45o角。这个阶段裂纹扩展很慢，每个应力循环扩展速度为埃（10-10米）数量级。 第Ⅱ阶段：裂纹扩展的平面和主应力轴线约成 90o，这一阶段每个应力循环的扩展速率为微米（10-6米）数量级。这阶段最重要的特征是疲劳条纹的存在。疲劳条纹有两种典型类型，即塑性条纹和脆性条纹。每一条疲劳条纹代表一次载荷循环，而且条纹间距随外加载荷而变化，载荷大，间距宽；载荷小，间距窄。 （3）塑性疲劳裂纹的形成机理模型：塑性钝化模型 未加载时裂纹形态如图1-6(a)所示。逐浙增加载荷时，裂纹张开，裂纹前端二小切口使滑移集中于 45o角的滑移带上，两个滑移带互相垂直(如图1-6(b))。当载荷最大时，裂纹张开得最大，裂纹前端的滑移带变宽，且裂纹前端“钝化”呈半圆状，如图1-6(c)。在此过程中裂纹向前推进，产生了新的裂纹表面。当载荷变小时，滑移方向也相反，裂纹前端则互相挤压、折叠而形成新的切口(见图l-6(d))。最后，形成了一个新的疲劳条纹，向前扩展了一个间距(见图l-6(e))。 （4）脆性疲劳裂纹的形成机理模型：解理模型 假定裂纹初始状态如图1-7(a)，载荷增加，裂纹前端因解理断裂向前扩展一段距离(图1-7(b))，然后塑性钝化，停止解理。由于解理材料的充分硬化，所以形变集中在裂纹前端非常狭窄的滑移带内(如图1-7(c)的虚线所示)。当裂纹前端在载荷作用下充分张开时，其裂纹前端形状如图1—7(d)所示。进入卸载或压缩载荷阶段时，裂纹闭合，裂纹前端重新变得尖锐而形成与图1—7(a)相似的形状(如图1-7(e))。 第二章 金属材料疲劳强度 §2-1 疲劳应力与持久极限 变化周期：应力由某一数值开始，经过变化又回到这一数值所经过的时间间隔称为变化周期，习惯上以符号表示(参阅图2—1)。 应力循环：在一个周期中，应力的变化过程称为一个应力循环，应力循环