北航疲劳强度课件1-绪论.ppt

* 5.4 疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征 裂纹扩展的微观形貌主要有以下特征： 1）每个断口由若干个凹凸不平的小断片组成，断片结合处形成台阶； * 5.4 疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征 2）断口上有很多细小的条纹，这些条纹略带弧形，在同一个断片上连续平行，具有规则的间距，与裂纹扩展方向垂直； 疲劳条纹 塑性条纹 脆性条纹 较为常见 与其相垂直的河流状花样相伴出现 * 塑性条纹和脆性条纹 * 疲劳条纹数基本上与循环数一一对应，疲劳条纹的间距S,取决于应力强度因子的范围 ，二者的关系可以表示为： 5.4 疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征 注：一个疲劳裂纹虽然总是代表一个循环中裂纹扩展，但不是每一次循环总能形成一个疲劳裂纹，因此由疲劳裂纹估算出得疲劳寿命总是比实际寿命低。 * 3）轮胎压痕是疲劳断口的另一个主要微观形貌特征，它是由于与其相匹配的断面上的凸起或刃边对它的反复挤压或刻入造成的； 4）在疲劳裂纹扩展时，还可能产生二次裂纹，二次裂纹往往呈扫帚状。 5.4 疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征 * 在交变载荷作用下的零部件和结构可能有以下四种情况： 6. 抗疲劳设计方法 1）在工作中产生裂纹后可以被替换； 例如：机车车辆的弹簧 2）由于局部缺陷产生的失效不致引起整个机器的破坏； 例如：钢轨或车轴 * 6. 抗疲劳设计方法 3）破坏前没有任何预兆，破坏后会导致严重事故，这样的零部件必须具有足够的疲劳强度； 例如：钢轨、车轴、机翼、卫星推力器 4）修理替换的费用非常昂贵的零部件，由于它的疲劳破坏，将引起灾难性事件。 例如：飞机机翼、航空发动机 * 6. 抗疲劳设计方法 控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即： SSf or ?K?Kth 无限寿命设计 (Infinite-life design) 控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa 。 Sa 小于疲劳极限值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。 控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子DK=f(DS, a)。 DK小于疲劳裂纹扩展门槛值DKth时，裂纹不扩展。 对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。 * 研究载荷水平与疲劳寿命的关系； 建立描述材料疲劳性能的S-N、e-N曲线。 不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。 用于民用飞机，容器，管道，汽车等。 按照S-N或?-N曲线设计，使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计---安全或有限寿命设计。 安全寿命设计 ( Safe-life design ) 6. 抗疲劳设计方法 * 要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的ac和充分的时间，安排检查并发现裂纹。 20世纪70年代提出的损伤容限设计： 假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲劳纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。 由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。 损伤容限设计 ( Damage tolerance design) 6. 抗疲劳设计方法 * 各种方法互相补充，适应不同设计需求，不是相互取代的。 耐久性设计 ( Durability design) 20世纪80年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。 先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳质量---初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定其经济寿命，制订使用、维修方案。 6. 抗疲劳设计方法 * 腐蚀疲劳：两接触表面摩擦时，在交变接触应力作用下，材料表面因疲劳而产生的物质损失现象，叫表面疲劳磨损或接触疲劳（又称麻点、点蚀）。表现形式：1.光滑接触表面上分布若干深浅不同的针状或豆状凹坑；2.较大面积的表面压碎；3.粗糙凸峰周围应力场变化引起的微观疲劳现象。实例：滚动轴承、齿轮副、凸轮副及钢轨。 1—a）夹杂物与基体紧密相连； 2—b）夹杂物与基体一边的界面脱开； 3—c）一边界面脱开继续扩展的同时，另一边的界面也脱开； 4—e）基体上的表面由于界面脱开而不连续，并引起应力集中的两侧产生裂纹源。 例如：轴承钢采用真空熔炼大大优于空气熔炼，因为真空熔炼钢中的夹杂级别要低很多。 * 材料表面产生的粗细不一的凸凹变形，