《第5章疲劳》-课件设计(公开).ppt

安徽工业大学 材料科学与工程学院 材料力学性能 裴立宅 材料科学与工程学院 Email: lzpei1977@163.com, lzpei@ 第五章 金属的疲劳 本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素， 以便为疲劳强度设计和选用材料，改进工艺提供基础知识。 第一节 金属疲劳现象及特点 一、变动载荷 1. 变动载荷 定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，在单位面积上的平均值为变动应力。 2. 循环应力 二、疲劳现象及特点 1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法 2. 特点 （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。 断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。 当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 （2）疲劳是脆性断裂 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆， 它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。 因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。 三、疲劳宏观断口特征 （1）疲劳源 （2）疲劳区 是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征依据。 宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇。 （3）瞬断区 是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大， 当裂纹长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度KI达到材料的断裂韧度KIC（KC），则裂纹失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断口一样，随材料的性质而变： 脆性材料为结晶状断口， 韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。 瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方向偏转一定角度，这是国为疲劳裂纹旋转方向扩展快的结果。 名义应力定义：是一种等效应力，它等于作用于结构上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为定义的，不一定是力的实际作用面积。 名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。 瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之瞬断区则较小。 第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能一、疲劳曲线和对称循环疲劳曲线 （一）疲劳曲线和疲劳极限 疲劳曲线：是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。 1860年，维勒（W?hler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。 对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、球铁等， 当循环应力水平降到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环，r=-1）。 这类材料如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。 另一类金属材料，如铝合金、不锈钢等，其S-N曲线没有水平部分，只是随应力降低，循环周次不断增大，此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限，或称有限寿命疲劳极限。 （二）疲劳曲线的测定 通常疲劳曲线用旋转弯曲疲劳试验测定，其四点弯曲试验机原理见下图。 S-N曲线的高应力（有限寿命）部分用成组试验法测定，即取3-4级较高应力水平，在每级应力水平下，测定5根左右试样的数据，然后进行数据处理，计算中值（存活率50%）的疲劳寿命。 用升降法测得的σ-1作为S-N曲线的最低应力水平点，与成组试验法的测定结果拟合成直线或曲线，就可得到存活率为50%的中值S-N曲线。 （