材料在交变载荷下的力学行为.PPT

第四章 材料在交变载荷下的力学行为 交变载荷即变动载荷，了解变动载荷的特性及表示方法：即大小，方向随时间变化 失效形式：疲劳断裂 从工程应用观点：研究金属疲劳的一般规律，疲劳破坏过程及机理，疲劳力学性能及其影响因素，以便为疲劳设计和选用材料建立基本思路和提供基础知识。 4.1 疲劳破坏的特点 在交变应力作用下的损坏为疲劳破坏 零件80％以上的失效属于疲劳破坏 如 轴类：火车轴为弯曲疲劳;汽车传轴，后桥半轴为扭转疲劳；柴油机曲轴和汽轮机主轴则为弯曲和扭转疲劳复合；缸盖螺栓大拉小拉应力状态，拉－拉疲劳。连杆为小拉大压状态，叫拉-拉疲劳 动态：当 ，循环次数后断裂 疲劳断口特征 由于缺口应力集中，形成疲劳源 裂纹扩展，形成贝壳状或海滩状条纹 断裂区的缺口 对塑性材料，为纤维状 对脆性材料，为结晶状断口 应变疲劳（LCF）：low cycles fatigue 热疲劳：Thermal Fatigue,由温度场造成的冷热变化产生温度应力（热断模，热轧轮）。产生热应力必须具备两个条件：温度变化和机械约束 机械疲劳：Thermal Mechanical Fatigue 温度循环＋机械应力循环叠加所引起疲劳 应力疲劳(HCF),高周疲劳（high cycles fatigue） 腐蚀疲劳：（Corrosion Fatigue） 冲击疲劳：在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。 4.2 S-N曲线和疲劳缺口敏感度 对疲劳寿命的估算可以有三种方法： ? S-N法 ε－N法 断裂力学计算 4.2.1 S-N曲线和疲劳极限 S-N曲线是仿照火车轴的失效，用旋转弯曲疲劳试验方法测得的。 优点：比较简单,求得的 能与其他疲劳的 建立关系，可推广到不对称循环的疲劳强度。 试验条件： 纯弯曲 完全对称循环 应力幅恒定 次/分 ????? 小试样有足够大的过渡圆角。 疲劳极限指循环次数大于次的疲劳应力 几种材料的S-N曲线 疲劳极限 指循环次数大于次的疲劳应力 光滑试样的疲劳极限和材料的抗拉强度有一定的经验关系 当 ＜1200-1400MN/m2 ，光滑试样的 与 呈直线关系， / ≈0.5 钢的成分和组织对其影响不大。 对Al： / ＝0.3-0.35 4.2.2 不对称循环应力下的疲劳极限和疲劳图 平均应力对疲劳寿命的影响 4.2.3 疲劳缺口敏感度q 4.3.2 疲劳裂纹扩展的三个阶段及其影响因素 4.5 低周疲劳， 曲线 一般规律：交变应力很大，低周次（105）下的破坏 研究低周疲劳常采用控制应变的方法，即 曲线 目的:想用光滑试样的疲劳数据来预测缺口零件的疲劳寿命 应力-应变滞后环示意图 循环加载时形成应力－应变滞后环 缺口处的真应变是可以测量的 在应变控制的条件下，疲劳寿命仅决定于应变量 进行低周疲劳试验时，用不同的完全对称的应力幅加载，得出经不同周次的滞后环，开始加载时，滞后环是不稳定的（有应力逐渐升高或降低的现象，即所谓疲劳硬化或软化现象）而应变控制时，应力在改变 在弹性范围内，应力幅和寿命的关系可用Basquin方程表示 Manson-Coffin方程，即提出了塑性应变幅和疲劳寿命的关系，即 只要控制总的应变范围知道，就可根据材料在静拉伸时的性能来预测应变控制下光滑试样的疲劳寿命 4.6 疲劳裂纹的萌生与发展（疲劳机理） 发生在零件的表面：表面质量，表面越光滑，疲劳强度↑ 发生在表面的三个位置： 对纯金属或单相合金：裂纹多萌生在表面滑移带处。驻留滑移带的地方 经受较高应力/应变幅时，裂纹萌生在晶界处，特别在高温下。 对一般工业合金，裂纹多萌生在夹杂或第二相与基体的界面上 滑移 Wood型疲劳裂纹 4.6.2 疲劳裂纹的扩展 4.7 提高疲劳强度的途径 4.8 聚合物的疲劳 聚苯乙烯拉－压疲劳时S-N曲线 Ⅰ区：高应力区 断面呈镜面 Ⅱ区：中应力区 呈线形下降 Ⅲ区：低应力区 疲劳过程：σ→银纹→裂纹→扩展→断裂 特点： 虽然符合Paris方程 但只出现一个阶段（第二阶段） 断口：1）疲劳辉纹2）斑纹 跳跃式发展，有待进一步深入研究。 4.9 陶瓷材料疲劳 陶瓷疲劳和金属疲劳的机理