[材料科学]材料的疲劳性能.ppt

材料力学性能 材料化工学院 1850-1860,W?hler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。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。 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。 前言 材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。 前言 1、变动载荷 → 疲劳断裂。 第五章 材料的疲劳性能 §5.1 疲劳破坏的一般规律 §5.2 疲劳破坏的机理（简述） §5.3 疲劳抗力指标 §5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素(自学) §5.5 热 疲 劳(自学) §5.1 疲劳破坏的一般规律 一、疲劳破坏的变动应力 二、疲劳破坏的概念和特点 三、疲劳断口的宏观特征 一、疲劳破坏的变动应力 1、疲劳： 变动载荷和应变→长期作用 →累积损伤→断裂。 2、变动载荷： 载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。 3、变动应力： 变动载荷在单位面积上的平均值。 4、变动应力分类： 规则周期变动应力(或称循环应力)； 无规则随机变动应力。 5、循环应力： 周期性变化的应力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常见的为正弦波。 一、疲劳破坏的变动应力 6、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 一、疲劳破坏的变动应力 7、循环应力类型： (1)对称循环： σm＝0，r＝-1。 (2)不对称循环： σm≠0，-1r1。 (3)脉动循环： σm＝σα0，r＝0 或 σm＝σα0，r＝∞。 (4)波动循环（重复载荷）： σmσα，0＜r＜1。 (5)随机变动应力： 循环应力呈随机变化。 二、疲劳破坏的概念和特点 1、疲劳破坏的概念： (1)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。 (2)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。 (3)疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。 (4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。 断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。 二、疲劳破坏的概念和特点 2．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。 (3)对缺陷具有高度的选择性。 (4)可按不同方法对疲劳形式分类。 按应力状态分， 有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。 按应力高低和断裂寿命分， 有高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。 三、疲劳断口的宏观特征 1、典型疲劳断口具有3个特征区 —疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。 2、疲劳源： (1)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。 (2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。 (3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。 三、疲劳断口的宏观特征 三、疲劳断口的宏观特征 §5.2 疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏机理 二、非金属材料疲劳破坏机理（自学） 循环滑移带的持久性： 疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。 除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。 这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。 在持久滑移带中出现疲劳裂纹。 形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。 微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的