材料性能学--5.疲劳.pptVIP

第五章材料的疲劳（Fatigue）性能疲劳与彗星号喷气客机1953年5月2日，在彗星号飞机运行一周年之际，一架客机在印度加尔各答机场起飞不久后解体，失事发生在热带雷暴雨中。调查结论：暴风雨造成的飞机承受高载荷导致断裂。1954年1月10日，一架彗星号飞机从天气晴朗的罗马起飞后，飞至地中海的爱尔巴岛附近高空爆炸。调查结果再一次没有认识到设计的错误。1954年4月8日，另一架彗星号客机在从伦敦飞往开罗的途中，在罗马上空爆炸，飞机残骸落入海中未能找到。无法进行事故分析。彗星号飞机整机疲劳实验彗星号客机失事事故分析最终结论第一节疲劳破坏的一般规律循环应力波形及参数循环应力类型随机循环应力二、疲劳破坏特点微观上看，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程，包括裂纹萌生和裂纹稳态扩展两个阶段；断口具有明显特征：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区；宏观上看，属潜在突发性破坏，脆性，易引起事故造成经济损失；属低应力（σ-1＜σs）延时破坏，寿命预测很重要；疲劳性能对缺陷十分敏感。三、疲劳形式分类按应力状态分弯曲疲劳；拉压疲劳；扭转疲劳；接触疲劳；按破坏寿命N分高周疲劳（高频疲劳、应力疲劳）：疲劳寿命N较长，N＞105；断裂应力水平较低，σ＜σs;低周疲劳（低频疲劳、应变疲劳）：N较低，N=102~105；σ≥σs；往往伴随有塑性应变发生。四、疲劳断口的宏观特征贝纹线形成过程示意图各种类型的疲劳断口形态示意图第二节疲劳抗力指标－疲劳宏观表征第二节疲劳抗力指标－疲劳宏观表征2、疲劳曲线全图常见弯曲疲劳试验机现代疲劳试验装置二、疲劳极限二、疲劳极限4340钢实验疲劳曲线2、疲劳极限的测定2）升降法3、疲劳极限与静强度之间的关系实验表明，材料的抗拉强度（σb）越高，则其疲劳极限（σ-1）也越高。对中、低强度钢，σ-1与σb大体呈线性关系（一般σ-1=0.5σb）。针对不同的材料有下列经验关系：结构钢σ-1=0.27（σs+σb）铸铁σ-1=0.45σb铝合金σ-1=0.17σb–7.5MPa青铜σ-1=0.21σb三、疲劳裂纹扩展速率及门槛值2、疲劳裂纹扩展速率曲线Ⅰ－低ΔK区Ⅱ－中ΔK区Ⅲ－高ΔK区3、剩余疲劳寿命估算根据疲劳裂纹扩展速率公式，用积分法可估算出疲劳裂纹扩展寿命Nf或带裂纹构件的剩余疲劳寿命，具体步骤如下：采用无损探伤法检查裂纹，包括初始长度a0、形状、位置、取向等；根据探测到的裂纹参数以确定ΔK值；根据材料断裂韧度KⅠC以及名义工作应力Δσ，确定临界裂纹长度ac；选择疲劳裂纹速率扩展公式，从a0积分到ac，便得到剩余疲劳寿命：四、低周疲劳寿命工程上所谓的“低周疲劳”包括下列几个特征：断裂周次＜105次；交变应力频率较低；交变应力幅度较大（在每次应力循环中均产生塑性应变）；疲劳试验多在“应变控制”模式下进行（即控制Δε为恒值）。1、低周疲劳特点2）循环稳定滞后环3）循环应力－应变曲线循环硬化和软化实例2、低周疲劳抗力2）Δεp－N曲线强度和塑性对疲劳性能的影响第三节疲劳破坏机理脉络结构脉络结构的TEM照片2）形成驻留滑移带PSB的位错结构PSB中位错结构的立体TEM照片PSB中位错结构的平面TEM照片（续）3）迷宫结构和胞状结构2、疲劳裂纹萌生在表面萌生自由表面在变形时不受约束，呈平面应力状态，易屈服，造成疲劳损伤；在许多加载条件下，表面应力最大（如弯曲、扭转）；表面缺口、台阶、沟槽等。表面腐蚀性介质；在内部萌生滑移带、孪晶界、晶界（亚晶界）；内部应力集中处，如夹杂物、脆性第二相、增强体附近等。1）PSB引发表面裂纹－挤出挤入模型PSB引发表面裂纹萌生的显微照片2）内部缺陷引至疲劳裂纹（3）晶界开裂引发疲劳裂纹3、疲劳裂纹扩展疲劳条带微观断口特征疲劳条带形成的Laird-Smith机制疲劳条带形成的Forsyth-Ryder机制两种疲劳条带示意图二、陶瓷材料疲劳破坏机理陶瓷的疲劳破坏同样经历了裂纹萌生、扩展、瞬时断裂三个过程，但与金属材料疲劳破坏不同，主要表现在：常温下不发生塑性变形，故金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷不适用；疲劳裂纹多萌生于表面，对表面缺陷更为敏感；疲劳裂纹的亚临界扩展速率对裂尖应力场强度因子幅值ΔKⅠ不敏感，而强烈倚赖于裂纹尖端最大应力场强度因子KⅠ