第五章++材料的疲劳性能1cut版.pptx

Mechanical properties of materials 1 第五章 材料的疲劳性能 2 引言 材料在循环（交变）载荷作用下，因累积损伤 而发生低应力破坏，这种现象称为疲劳。 本章意义： 机械失效80%是疲劳失效，工程技术界从 力学、材料及工艺方面开展疲劳研究，寻求有 效对策，使之成为材料强度科学领域中的一个 重要组成部分。 疲劳断裂，材料(尤其是高强 度材料) 疲劳断裂前，一般不会发生明显的塑 性变形，难以预测和预防。 3 引言 具体目的： 精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简 称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳 失效； 采用经济而有效的技术和措施以延长疲劳寿 命，简称延寿，即提高零构件质量。 4 第 五 章 材料的疲劳性能 疲劳破坏的一般规律 疲劳破坏的机理 疲劳抗力指标 影响材料及机件疲劳强度的因素 本章内容： 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 一、变动载荷 载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化的 载荷。变化分为周期性，无规则性。相对应的应力， 称为变动应力。 变动应力示意图 5 6 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和 三角形波等。 循环应力的特征参数： 最大循环应力σmax，最小循环应力σmin 平均应力：σm=(σmax+σmin)/2 应力幅σa或应力范围Δσ：σa= Δσ/2= (σmax-σmin)/2 应力比r= σmin /σmax 7 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 循环应力的种类 1. 2. 3. 4. 对称循环： σm= 0, r = -1 脉动循环： σm= σa0, r=0; σm= σa0, r=-∞ 波动循环：σm σa, 0 r 1 不对称循环：σm≠0, -1 r 0 8 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 对称循环 脉动循环 波动循环 不对称循环 9 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 农用挂车前轴的载荷谱 10 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 二、疲劳破坏的概念、分类和特点 1、疲劳破坏过程：材料内部薄弱区域的组织在变 动应力作用下，逐渐发生变化和损伤积累、开 裂，当裂纹扩展达到一定程度后，发生突然断裂 的过程。 一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体 破坏的过程。 11 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 2、分类 （1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲 劳、复合疲劳等。 （2）按环境和接触情况：腐蚀疲劳、热疲劳、接 触疲劳等。 （3）按循环周期：高周疲劳（Nf＞105周次）,因 断裂应力低（ σs），所以也叫低应力疲劳。 低周疲劳（ Nf ＝102~105周次），由于断裂应力水 平高（≥σs）往往伴有塑性变形，故称为高应力 疲劳（或应变疲劳）。 12 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 3、疲劳破坏的特点 （1）断裂应力σb，甚至σs； （2）容易出现脆性断裂； （3）对材料的缺陷十分敏感； （4）疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和断裂。 （5）疲劳失效受载荷历程的影响。（疲劳前的过载会 影响疲劳强度） 13 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 三、疲劳断口的宏观特征 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹， 记载着很多断裂信息，具有非常明显的形貌 特征。 这些特征与材料性质、应力状态、应力大 小、环境因素有直接的关系。 因此分析疲劳断口是研究疲劳过程、分析疲 劳失效原因的一种重要而且有效方法。 14 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 典型疲劳断口具有三个特征区—疲劳源、疲 劳裂纹扩展区、断裂区。 随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。 15 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件 表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相 连，因该处的应力集中引发的。 疲劳源区的光亮度最大。扩展速率最低，扩展循 环次数最多，断面因不断摩擦挤压而光亮平滑。 加工硬化，表面硬度有所提高。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲 劳源。 源区越光亮，产生越早。 名义应力大，疲劳源多； 16 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 疲劳区（贝纹区）是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。 断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。根据裂纹 在材料表面和中心的扩展速率，会出现凹型贝纹线和凸 型贝纹线。 近疲劳源处，贝纹线较细密，表示裂纹扩展较慢；远疲 劳源处，贝纹线较稀疏，裂纹扩展较快。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线明显；反 之，疲劳区小，贝纹线不明显。 第 一 节 疲劳破坏的一般规律 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由 载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停 歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线 留下了弧状台阶痕迹。 因变动载荷较平稳，很难看到明显的