第一章 绪论 疲劳强度.ppt

第一章 绪论 第一节 什么是疲劳？ 1 现象：铁丝反复折 断 2 定义：美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTM E206-72）中规定： 在某点或某些点承受交变应力且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的永久结构变化的发展过程，称为疲劳。 3 疲劳问题的特点 Ⅰ 只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳才会发生。 Ⅱ疲劳破坏起源于高应力或高应变的，一般是几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节； Ⅲ 疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用后，形成裂纹或完全断裂的现象。 Ⅳ 疲劳是一个发展的过程。 划分成三个阶段： 裂纹萌生（起始） 扩展 断裂 注：在疲劳分析中经常用到的参数 应力范围： 应力幅值： 平均应力： 应力比： 反映循环特性 当 时， 对称循环 当 时， 脉动循环 当 时， 静载荷 4 疲劳研究的目的 1）疲劳寿命：从结构开始使用到裂纹萌生，扩展并最后断裂，这个过程所经历的时间或交变载荷作用次数，称为“寿命”。 它取决于载荷水平作用次数或时间及原材料抵抗疲劳破坏的能力。 2）目的：研究寿命预报的方法 Ntotal=Ninitiation+Npropagation Ninitiation：起始寿命，由应力－寿命关系，应变－寿命关系 Npropagation：扩展寿命，由断裂力学方法 第二节 疲劳破坏机理 1 断口的宏观特征 1有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三个部分； 2裂纹扩展区断面较光滑、平整，通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹； 3裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处； 4与静载破坏相比,即使是延性材料也没有的明显的塑性变形； 5工程实际中的表面裂纹一般称半椭圆形。 2 疲劳裂纹萌生机理 金属大多是多晶体，各晶粒有各自不同的排列方位。在高应力作用下，材料晶粒中易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致，则将发生滑移。 滑移可以在单调载荷下发生，也可以在循环载荷下发生。 在较大载荷作用下发生粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生细滑移。 在循环载荷作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。应当注意，滑移主要是在晶粒内进行的。深度大于几个微米的少数几条滑移带穿过晶粒，称为“持久滑移带”，微裂纹正是由这些持久滑移带发展而成的。滑移带的发展过程与施加的载荷及循环次数有关，随着循环次数的增加，滑移线越来越密集，越来越粗。 3 疲劳裂纹扩展机理 疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带萌生，是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致。 在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿45度最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿45度最大剪应力面的扩展是第1阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第2阶段的扩展。 从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力的大小，但通常都在0.05mm内， 只有几个晶粒的尺寸。 第1阶段裂纹扩展的 尺寸虽小，对寿命的 贡献却很大，对于高 强度材料，尤其如此。 与第1阶段相比，第2阶段的裂纹扩展较便于观察。Laird直接观察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”，如图所示。 （a）给出了循环开始时的裂纹尖端形状； 随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于应力集中而沿最大剪应力方向滑移（b）； 应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新