第05章金属的疲劳概要.ppt

第五章 金 属 的 疲 劳 引言 §5.1 金属疲劳现象及特点 §5.2 疲劳曲线及疲劳性能 §5.3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 §5.4 疲劳过程及机理 §5.5 影响疲劳强度的因素 §5.6 低周疲劳 §5.7 其他类型疲劳 §5.1 金属疲劳现象及特点 §5.2 疲劳曲线及疲劳性能 §5.3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 §5.4 疲劳过程及机理 §5.5 影响疲劳强度的因素 §5.6 低周疲劳 §5.7 其他类型疲劳 二、金属的循环硬化与循环软化 1、定义与特点 恒应变幅（塑性应变幅或 总应变幅）循环加载过程中， 材料的形变抗力不断增加， 则称为循环硬化；反之为循 环软化。 应力——应变滞后回线， 只有在应力循环达到一定周 期后，才是闭合的，即：达 到循环稳定态。 循环应力—应变曲线高于 单次应力—应变曲线，则是 循环硬化，反之为循环软化。 2、循环软化的危害 使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。 3、原因 决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。 σb/σs＞1.4循环硬化 σb/σs＜1.2循环软化 微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。 三、低周疲劳的应变—寿命曲线 低周疲劳的S～N曲线，数据离散。1、总应变幅△εt～N曲线 △εe/2～2Nf， △εp/2～2Nf ， △εt/2～2Nf， 两不同斜率的曲线叠放，必 然会出现一个交点。 提高强度，交点左移；提高 塑性，交点右移。 2、△ε～N关系式曼森公式 ef 断裂真实伸长率 曼森——柯芬关系式 △εpNfz=C Z、C——材料常数， Z=0.2～0.7; C—0.5ef～1.0ef 上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。 返回 一、热疲劳 1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。 热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。 由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。 2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀； 内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。 热应变 导致裂纹的萌生，扩展。 3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。 4、提高热疲劳寿命的途径 材料 减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。 工件状况 减小应力集中。 使用 减小热冲击。 * 德国列车车轮断裂，1998 台湾中华航空客机空中解体，2002 四川宜宾南门大桥，2001 引 言 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象—疲劳。 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往?σb，甚至?σs； （不一定是低应力脆断！） 不产生明显塑性变形，呈现突然脆断。 疲劳断裂是一种非常危险的断裂，工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要意义。 一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷 应力大小、方向或者大小与方向均随时间而变化，分为周期性和无规则性两种类型，相对应的应力称为变动应力。 2、循环应力（周期性变动应力） 循环应力波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。 t ? 0 ?max ?min 2?a （1）循环应力的描述 平均应力 σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅 σa=1/2（σmax-σmin） 应力比 r =σmin/σmax（2）循环应力种类 对称交变应力、脉动应力、波动应力、不对称交变应力 ?m=0, r= -1 ?m=?a?0, r= 0 ?m ? ?a, 0?r?1 -1?r?0 对称循环应力 不对称循环应力 t ? 0 ?max ?min 2?a 二、疲劳分类及特点 1、分类 （1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳等。 （2）按环境：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）。 （4）按破坏原因：机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。 2、特点 （1）断裂应力?σb，