材料性能与测试第五章 材料的疲劳性能PPT.ppt

材料性能与测试 主讲：曾凡浩(zengfanhao608@mail.csu.edu.cn) 中南大学粉末冶金研究院 课件制作：曾凡浩 2 3 1998年6月3日上午11时，一辆由德国慕尼黑开往汉堡的ICE1型884次高速列车，在行驶至距莱比锡东北方约60公里的小镇埃舍德（Eschede)附近时，列车脱轨并以200公里时速撞断一座立交桥后解体，事故造成101人死亡，88人重伤，酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。 德国铁路机构经过调查后认为：事故因列车第一节车厢后部的一个车轮轮箍由于金属疲劳断裂引起，轮箍在断裂后变形成一根弧形钢条，一头戳破车厢地板，另一头随着200公里时速高速运行的列车，与钢轨产生剧烈摩擦，并发出刺耳的尖啸。3分钟后，列车在行经一个道岔钢轨接口处时，轮箍钢条又铲断一组道岔护轨，使之插入车厢。巨大的冲击力导致第一节车厢后轮脱轨，并与车头脱钩，连带着将后面两节车厢甩离轨道。虽然列车采取了紧急制动措施，但强大的惯性依然推动车厢向前滑行，最终在撞断了300多米外的一座混凝土立交桥墩后完全解体。就这样，一个并不起眼的轮箍夺走了上百条人命。 §引 言 4 1850-1860，Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。 1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。 1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。 1945年，由Miner提出的线性累计损伤理论问世。 1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。 1961年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。 1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。 目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。 5 在变动载荷下工作的工件（如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等），其失效形式主要是疲劳断裂。据统计，疲劳破坏在整个失效中约占80%左右。 疲劳破坏的形式： 机械疲劳—外加应力/应变波动造 成的。 蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。 热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。 腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等。 8 图5-1 应力循环特性表征参数 表征应力循环特征的参量 ①最大循环应力σmax， 最小循环应力σmin； ②平均应力 σm＝(σmax+σmin)/2； ③应力幅σα或应力范围Δσ： σα=Δσ/2= (σmax-σmin)/2； ④应力比 r＝σmin/σmax。 ⑤载荷谱： 载荷-时间历程曲线 9 二、疲劳破坏的概念和特点 1、疲劳破坏的概念： 疲劳的破坏过程： 变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。 疲劳破坏： 循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。 疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。 2、疲劳的分类 按应力状态不同：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳； 按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。 按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应力疲劳. 10 3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区，这是疲劳断裂的主要断口特征。 11 1)、典型疲劳断口具有3个特征区 —疲劳源、疲劳裂纹扩展区(疲劳区)、瞬断区。 2)、疲劳源特点： 多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。 疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。 疲劳源可以是一个，也可以是多个。 图5-2 疲劳断口的示意图和旋转弯曲疲劳断口形貌 4、疲劳宏观断口分析 12 1) 断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。 2) 断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱； 3) 贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的。 每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。 疲劳区