《金属疲劳与断裂》课件.pptVIP

金属疲劳与断裂本课程将深入探讨金属材料疲劳与断裂的原理、机理、分析方法和预防措施，旨在帮助学生理解金属疲劳与断裂现象，掌握相关知识，并能够运用所学知识解决实际工程问题。

课程目标11.理解金属疲劳与断裂的基本概念22.掌握金属疲劳与断裂的力学原理和机理33.熟悉金属疲劳与断裂的实验方法和分析技术44.了解金属疲劳与断裂的预防措施和应用

金属疲劳与断裂的重要性安全隐患金属疲劳和断裂是工程结构失效的主要原因之一，可能导致重大安全事故和经济损失。产品质量金属疲劳和断裂会影响产品的寿命和可靠性，降低产品质量。设计优化理解金属疲劳与断裂现象有助于优化设计，提高工程结构的可靠性和安全性。

金属疲劳与断裂的概念疲劳指金属材料在循环载荷作用下，即使应力低于材料的屈服强度，也会发生裂纹萌生并扩展，最终导致断裂的过程。断裂指材料在拉伸、弯曲、扭转等外力作用下，由于内部应力超过材料的强度极限而发生的破坏过程。

金属材料的基本性质强度指材料抵抗破坏的能力，用抗拉强度、屈服强度等指标表示。塑性指材料在断裂前发生永久变形的能力，用伸长率和断面收缩率等指标表示。韧性指材料抵抗断裂的能力，用冲击韧性等指标表示。硬度指材料抵抗压入、刻划等外力侵入的能力，用布氏硬度、洛氏硬度等指标表示。

应力-应变关系1弹性阶段应力与应变呈线性关系，材料受力后会完全恢复原状。2屈服阶段应力达到屈服强度后，材料开始发生塑性变形，应力不再随应变线性增加。3强化阶段应力超过屈服强度后，材料的抗拉强度逐渐增加，直至达到抗拉强度极限。4颈缩阶段应力达到抗拉强度极限后，材料开始发生颈缩，直至断裂。

塑性变形与工作硬化塑性变形指材料在应力作用下发生永久变形，无法恢复原状。工作硬化指金属材料在塑性变形过程中，由于内部结构发生变化，导致材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象。

应力集中与几何因素应力集中指在结构的几何形状变化处，例如孔洞、缺口、螺纹等，应力会比周围区域更高，称为应力集中。几何因素结构的形状、尺寸、表面缺陷等几何因素都会影响应力集中程度，从而影响材料的疲劳寿命。

断裂力学基础裂纹尖端应力场1裂纹扩展2断裂韧性3裂纹扩展速率4

断裂韧性的概念及测试方法概念断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，用断裂韧性值表示。测试方法常用的测试方法包括：裂纹张开法、弯曲法、冲击法等。

疲劳裂纹扩展机理1裂纹萌生在循环载荷作用下，材料表面或内部的微缺陷会逐渐扩展成裂纹。2裂纹扩展裂纹在循环载荷作用下，沿着特定的路径扩展，并逐渐扩展成宏观裂纹。3断裂裂纹扩展到一定程度后，材料的承载能力下降，最终导致断裂。

巴塞尼曲线的基本特征1I区裂纹扩展速率很低，主要受裂纹尖端应力场控制。2II区裂纹扩展速率快速增加，主要受裂纹尖端塑性变形控制。3III区裂纹扩展速率趋于稳定，主要受裂纹尖端疲劳损伤积累控制。

S-N曲线及其影响因素

低周疲劳行为10^3循环次数小于10^3次塑性变形主要特征塑性变形为主，疲劳裂纹扩展速率快。

高周疲劳行为10^6循环次数大于10^6次弹性变形主要特征弹性变形为主，疲劳裂纹扩展速率慢。

疲劳寿命预测方法巴塞尼曲线法根据巴塞尼曲线预测裂纹扩展寿命。S-N曲线法根据S-N曲线预测疲劳寿命。

疲劳试验装置与试验方法试验装置常用的疲劳试验装置包括：旋转弯曲试验机、拉伸-压缩试验机、扭转试验机等。试验方法常用的疲劳试验方法包括：应力控制法、应变控制法、位移控制法等。

疲劳试验数据处理1数据采集通过传感器采集疲劳试验数据，例如应力、应变、位移等。2数据分析对采集的数据进行分析，例如绘制S-N曲线、巴塞尼曲线等。3结果评估根据数据分析结果，评估材料的疲劳性能。

疲劳失效分析方法宏观观察观察断口特征，例如疲劳裂纹扩展路径、断口形状等。显微观察使用显微镜观察断口微观特征，例如裂纹萌生位置、扩展机制等。化学分析分析材料的化学成分，判断材料是否符合要求。力学测试进行力学性能测试，例如拉伸试验、冲击试验等，评估材料的力学性能。

焊接接头疲劳行为应力集中焊接接头存在应力集中，易于发生疲劳裂纹萌生和扩展。材料不均匀焊接接头材料的力学性能不均匀，影响疲劳寿命。残余应力焊接过程中会产生残余应力，影响疲劳寿命。

应力集中疲劳失效裂纹萌生应力集中区域易于发生裂纹萌生。1裂纹扩展裂纹沿应力集中区域扩展。2断裂裂纹扩展到一定程度后，导致断裂。3

腐蚀疲劳失效腐蚀金属材料在腐蚀性环境中发生腐蚀。疲劳腐蚀产物会降低材料的疲劳强度，加速疲劳裂纹扩展。断裂裂纹扩展到一定程度后，导致断裂。

环境因素对疲劳的影响腐蚀环境腐蚀性环境会加速疲劳裂纹扩展。温度高温会降低材料的疲劳强度，低温会增加材料的脆性。湿度高湿度环境会加速腐蚀，从而影响疲劳寿命。

表面强化技术及其应用技术常用的表面强化技术包括：喷丸强化、激光表面合金化、离子注入