低周疲劳.PPT

概述 疲劳现象及特点 1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法 高周疲劳与低周疲劳 疲劳特点 （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。 断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。 当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 （2）疲劳是脆性断裂 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是 脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆， 它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺 寸ac时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。 疲劳特点 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择 性。缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加 快了疲劳破坏的开始和发展。 疲劳断口特征 疲劳断口保存了整个断裂过程的所有痕迹，记载了很多断裂信息，具有明显的形貌特征，因此，对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法。 典型的疲劳断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹亚临界扩展区、 瞬断裂区（疲劳裂纹快速扩展失稳区） 疲劳断口示意图 典型疲劳断口 疲劳源 疲劳区 是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征依据。 宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇。贝纹线圆心为疲劳源，一般情况下，贝纹线凸侧指向扩展方向。贝纹线离源区越近，间距越小。 瞬断区 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大，当裂纹长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度KI达到材料的断裂韧度KIC，则裂纹失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙。 脆性材料为结晶状断口。 韧性材料在边缘区为剪切唇。 疲劳源区的宏观特征及位置判别 疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处，由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最常，裂纹扩展速率较慢。同时，在不同高度起源的裂纹在扩展中相遇，汇合形成辐射状的条纹或台阶。因此，疲劳源区一般具有如下特征： 氧化或腐蚀较重，颜色较深； 断面平坦、光滑、细密，有些断口可以看到闪光的小刻面； 有向外辐射的放射台阶或条纹； 在源区虽看不到疲劳弧线，但疲劳弧线以源区为中心。 疲劳曲线和对称循环疲劳曲线 疲劳曲线 疲劳曲线：是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。 1860年，维勒（W?hler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。 疲劳极限 对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、球铁等，当循环应力水平降到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环，r=-1）。 这类材料如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。 另一类金属材料，如铝合金、不锈钢等，其S-N曲线没有水平部分，只是随应力降低，循环周次不断增大，此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限。 疲劳曲线的测定 通常疲劳曲线用旋转弯曲疲劳试验测定，其四点弯曲试验机原理见下图。 S-N曲线的高应力（有限寿命）部分用成组试验法测定，即取4-5级较高应力水平，在每级应力水平下，测定3-5根左右试样的数据，然后进行数据处理，计算中值（存活率50%）的疲劳寿命。 在测定的时要注意三点： (1) 确定各组应力水平。在4-5级水平应力中的第一级应力水平σ1：对 光滑试样取0.6-0.7 σb,对缺口试样取0.3-0.4 σb，而第二级应力水平σ2比第一级低20-40MPa,以后各级水平应力一次减少。 (3) 如果出现越出，即在某一水平下的平均寿命大于规定的107，则这一组疲劳寿命取排列中值（奇数），获取中间两数值的平均值（偶数）。 举例：某