第七章 疲 劳.ppt

7.7.2 改善疲劳裂纹萌生的抗力 由于多数情况下疲劳裂纹都在表面产生，所以改善表面组织结构的方法都会对抑制裂纹生成有利。此类表面强化的处理方法大致有三类： 机械处理：如喷丸、滚压、研磨和抛光； 热处理：如火焰和感应加热表面淬火； 渗、镀处理：如氮化、电镀等。 上述方法中，喷丸处理应用较广。 7.7.3 改善疲劳裂纹扩展的抗力 如前所述，疲劳裂纹扩展速率da/dN－?K关系可分为三个区域。因此，在不同裂纹扩展速率区域应区别对待。 在近门槛值区域，减少夹杂物的体积和数量对降低裂纹扩展速率是有效的。 在中等速率区（10?3 ～10 ?5mm/周次），材料组织对裂纹扩展速率的影响不大，主要是加载条件的影响（平均应力、加载频率等）。 7.4.4 热疲劳 在有热冲击的环境下工作的构件，热疲劳是评定材料能否使用的最重要力学性能。如：高温合金、热作模具钢等。 构件上存在的温度的交变而引起膨胀与收缩，而尺寸上发生的变化又受到多种约束，从而引起构件上的交变热应力。这种交变热应力引起的破坏即是热疲劳。 热应变： ?? ＝? ? ?T ?：热膨胀系数。 Coffin应变－寿命曲线： C = ?f /2， ?f 为静态拉伸断裂应变。 所以，塑性好的材料热疲劳寿命较高。 热循环下的滞后曲线 工程材料的疲劳断裂，分为裂纹萌生、裂纹扩展和最后断裂三个过程。 其中，在循环应力作用下，萌生的小裂纹逐渐长大形成临界裂纹的扩展过程称为亚临界（稳态）裂纹扩展过程。这一过程对最终产生疲劳破坏颇为重要。 因此，研究疲劳裂纹稳态扩展过程的规律和影响因素对保证结构安全运行是十分重要的。 7.5 疲劳裂纹扩展 7.5.1 疲劳裂纹扩展曲线（a-N曲线） 在给定的交变应力下，一个含裂纹的试样或零件的裂纹扩展过程可由裂纹长度随应力循环周次的变化曲线来表征。该曲线称为疲劳裂纹扩展曲线。 在疲劳裂纹扩展过程中，随循环周次不断增加，裂纹长度不断增大。 在裂纹扩展初期，裂纹长度增大比较缓慢，而后期则加快。 应力水平提高，裂纹扩展过程也加快、扩展寿命降低。 疲劳裂纹扩展曲线 7.5.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN 如果把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则： 应力场强度因子幅度 ?K = Kmax?Kmin 是疲劳裂纹扩展的控制因子。 可用?K的变化来描述疲劳裂纹扩展速率。最早是Paris 等人提出的经验方程： 式中：C、m为与材料和环境有关的常数，可由实验测定。 应该指出，Paris公式只适用于等应力强度?K水平的疲劳裂纹扩展过程。 在双对数坐标中，da/dN-?K关系曲线可分为三个区域： da/dN-?K关系 Lg（da/dN） I区： 曲线很陡，且当?K小于某临界值?Kth时，疲劳裂纹不扩展，故称 ?Kth 为 疲劳裂纹扩展的门槛值。一般，da/dN =2.5?10?10 (m/周次) 左右的?K值规定为 ?Kth 。 通常?Kth 值很小，只有KIC值的5~15%。 由此可见， ?Kth 是材料的一个重要参数。对于一些重要零件若要求无限寿命、安全服役，则应使它们工作的 ?K 值低于 ?Kth。 II区： ?K ?Kth，da/dN 与?K关系满足Paris公式。因此，da/dN 主要决定于裂纹尖端的应力强度因子范围?K 。 实验研究表明，C、m常数对材料的显微组织不敏感，所以da/dN对材料组织也不很敏感。 III区： ?K进一步增大，da/dN也急剧加大。当Kmax增大至KIC时，试样断裂。 所以，III区是疲劳裂纹的快速扩展（失稳）阶段，且与材料的断裂韧性KIC有关。 7.5.3 平均应力对da/dN的影响 由于压缩载荷下裂纹一般是闭合的，裂纹尖端不承受应力强度因子的作用，所以压缩载荷对恒幅应力下的疲劳裂纹扩展影响很小。 研究平均应力的影响主要是指平均拉应力（即R0）对疲劳裂纹扩展速率的影响。随R?，曲线向?K较低的方向移动，即同等?K水平下， R? ，da/dN ?， R对I和III区的da/dN影响较大，而对II区的影响较小。 7.5.4 微观组织对da/dN的影响 材料的显微组织对疲劳裂纹扩展速率的影响是很复杂的，不同的材料其影响机制也不尽相同。 以下简单介绍一些结果： 在疲劳裂纹扩展的全过程中，显微组织对I 区和III区的影响较大。而且，一般说来研究I区对组织的敏感性更有实际意义。 对疲劳门槛值 ?Kth 和对疲劳极限的讨论表明：二者有相互矛盾的结果。即降低强度和增大晶粒尺寸对提高?Kth有利，但对疲劳裂纹萌生和微裂纹扩展是不利的。因此，一般情况下，只