1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂教学教材.ppt

1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂;;疲劳断裂的特点： 发生疲劳断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强度； 是脆性断裂，危害性很大； 断口能清楚显示疲劳断裂整个过程的三个阶段（裂纹的形成、扩展和最后断裂）。 ;二、疲劳断口的特征： 典型的疲劳断口形貌由疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区组成。图1-9。;疲劳源区：材料的内部缺陷、加工缺陷、结构设计不合理处导致的应力集中，成为裂纹源； 裂纹扩展区：为“贝壳状”或“海滩状”，由于载荷的周期性变化，裂纹经多次的张合以及裂纹表面的相互摩擦，在扩展区流下一条条光亮的弧线。开始较密，以后间距逐渐增加。 最后断裂区：为放射状。 ;疲劳断口有各种形态，取决于载荷类型、应力大小和应力集中的程度。 当载荷类型一定时，可根据疲劳断口最后断裂区的相对面积和位置来判断零件所受应力的高低和应力集中程度的大小。 最终断裂区的面积较大—疲劳寿命短； 最终断裂区的面积较小—疲劳寿命较长。;三、疲劳抗力指标及其影响因素;材料的疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验方法确定，r=-1，其疲劳极限为б-1。 疲劳曲线大致有两种类型：有明显水平部分和没有水平部分。 没有水平部分时，规定某一循环基数N0所对应的应力值作为“条件疲劳极限”。 循环基数根据零件的工作条件和使用寿命来确定。 N0＜105， 低周疲劳 N0＞105， 高周疲劳;疲劳缺口敏感度——用疲劳缺口敏感度q来衡量缺口对疲劳极限的影响。 q=(Kf-1)/(Kt-1) Kt——理论应力集中系数，为应力集中处的最大应力бmax与平均应力бm之比。 Kf——有效应力集中系数，为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，Kf=б-1/б-1N Kf既和缺口的几何形状有关，又和材料的特性有关。 通常0＜q＜1。 当q→0时，Kf→1，表示对缺口不敏感； 当q→1时，Kf→Kt，表示对缺口非常敏感。;;（二）有裂纹零构件的疲劳抗力指标：;;裂纹扩展速率da/dN不仅与应力幅有关，还与裂纹长度有关。 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth——表示材料阻止裂纹疲劳扩展的能力。 是交变应力作用下裂纹不扩展的最大应力场强度因子幅值 应用断裂力学裂纹尖端应力场强度因子的概念，求出循环应??幅作用下疲劳裂纹尖端应力场强度因子幅△K: △K=Kmax-Kmin=Yбmaxa1/2- Yбmina1/2 =Y△бa1/2 ;△K△Kth时，裂纹不扩展，当△K=KIc时，试样突然断裂。 带裂纹的零构件，常用△Kth来进行安全校核，校核公式为： △K= Y△бa1/2≤△Kth 根据上式，设计者可以控制△Kth、△б、a三个参量。 材料的△Kth值很小，约为断裂韧度KIc的5%-10%。因此往往根据裂纹扩展速率估算零构件的安全寿命。;（三）影响疲劳抗力的因素;载荷类型对△Kth和裂纹扩展速率da/dN也有显著影响。 拉-拉载荷，△Kth小，da/dN大；拉-压载荷，△Kth大，da/dN小。 材料本质：不同材料，疲劳曲线不同，疲劳极限与过载持久值不同。不同材料的缺口敏感度也不同 一般材料的疲劳极限与抗拉强度之间有一定经验关系（高强度钢除外）。 材料一定时，其纯度和组织状态对疲劳抗力有显著影响。;零件表面状态：提高疲劳极限的有效途径——表面强化处理。 工作温度：温度升高，疲劳极限下降。 腐蚀介质：使△Kth降低，da/dN增大； 钢铁材料疲劳曲线的水平部分消失； 破坏疲劳极限与抗拉强度线性关系。 ;1-4 零件的磨损失效;粘着磨损示意图;磨粒磨损——也称磨料磨损。滑动摩擦时，硬质磨粒使磨面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，使磨面材料逐渐耗损的一种磨损。;磨粒磨损是由于硬质点摩擦零件表面引起的。当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过一个表面或者当一个硬表面(包含有硬质点)擦过另一个表面时，就产生磨粒磨损。 ;一些以土块、泥砂、岩石或矿石为工作对象的机械零部件，如挖掘机铲斗、联合掘进机刀具、搅拌机叶片、凿岩机的钎头钎杆、各种履带板，以及农机具都发生严重的磨粒磨损。 一些在含有泥砂或磨粒的介质中工作的零、部件，如水轮机叶片，内河轮船螺旋桨，高速运转的零件被泥砂冲刷而磨损。 工程机械的各种开式齿轮，以及相对运动的零件，当润滑油不干净时，均会发生磨粒磨损。 曲轴的主轴颈可能被污染的润滑油中所合的磨粒严重切割和刮伤。 ;腐蚀磨损——在摩擦力和环境介质的作用下，金属表面的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损相结合的一种磨损。主要包括： 氧化磨损——两零件表面相对运动时(不论是滑动摩擦或是滚动摩擦)，在发生塑性变形的同时，由于已形成的氧化膜在摩擦接触点处遭到破坏，紧接着在该处又立即形成新的