金属力学性能 教学课件 ppt 作者 王学武 主编第五单元.ppt

第5单元 金属的疲劳 本单元导读 工程中许多零件和构件都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。 金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受扭转疲劳等。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经济损失,因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。 本单元主要介绍金属疲劳产生的原因、特点，金属疲劳试验、疲劳极限、提高金属抗疲劳破坏的措施等，同时对低周疲劳、热疲劳等其他形式的疲劳现象也作了介绍。 1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。 金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet）于1839年提出来的。 1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。 1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。 模块一 金属疲劳现象 一、变动载荷和循环应力 1.变动载荷 ——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，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。 二、循环应力 生产中工件正常工作时其变动应力多为循环应力，而实验室也容易模拟也比较方便，所以研究较多。 循环应力的波形有正弦被、矩形波和三角形被等，其中常见者为正弦波。 循环应力中大小和方向都时间发生周期性变化的应力称交变应力，只有大小变化而方向不变的循环应力称为重复循环应力。 1.平均应力 静应力 R = 1 常见的循环应力 对称交变应力 σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，σm＝0，R＝－1。大多数轴类零件，如火车轴的弯曲对称交变应力、曲轴的扭转交变应力。 脉动应力 σmin＝0，有二种情况。σm＝σa＞o，R＝0，为脉动拉应力，如齿轮齿根的循环弯曲应力；σm＝σa＜0，R＝-∞，为脉动压应力，如滚动轴承应力则为循环脉动压应力。 波动应力 σm ＞σa，0＜R＜1，如发动机缸盖螺栓的循环应力为“大拉小拉”, 。 不对称交变应力 R＜0，如发动机连杆的循环应力为“小拉大压” 。 能力知识点2 金属疲劳现象 一、金属疲劳现象 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳断裂是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。 二、金属疲劳断裂特点 疲劳破坏需要经过一定数量的应力循环； 破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限； 如 Q275钢，Rm=520 MPa ,但当σmax=220 MPa时, 弯曲对称循环不到107 次即发生疲劳断裂。 2007年8月13日下午，巡回到韩国釜山的国际游艺活动项目“环球嘉年华”发生严重事故，摩天轮观览车厢突然被撞，5名游客从20米高空坠落地面，全部死亡。警方称，死者中的4人是一家人，另一人是外国游客。 三、金属疲劳分类 按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。 按环境和接触情况：大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳. 按断裂寿命和应力高低：高周疲劳（低应力疲劳,105次以上循环）、低周疲劳（高应力疲劳，102～105次循环之间）。 能力知识点2 金属疲劳断口 尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。因此，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。 疲劳裂纹产生后在交变应力作用下，继续扩展长大，每一次应力循环都会使微裂纹扩大，在疲劳裂纹扩展区留下一条条的向心弧线，叫做前沿线或疲劳线，这些弧线形成了像“贝壳”一样的花样，所以又称贝壳线或海滩线。 断口因反复挤压摩擦，有时光亮得像细瓷断口一样。在最后断裂区，由于疲劳裂纹不断扩展，零件或试样的有效断面积逐渐减小，因此应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂、形成了最后断裂区。 模块