1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂

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1、1-3零件在交变载荷下的疲劳断裂一、基本概念疲劳断裂——零件在长时间的交变载荷作用下发生断裂的现象。机械零件断裂失效中80%以上属于疲劳断裂。交变载荷——载荷的大小、方向随时间发生周期性的变化。图1-8几种常见的交变应力。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

2、“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（一）无裂纹零构件的疲劳抗力指标：常用的疲劳抗力指标是：疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。疲劳曲线——材料所承受的交变应力(бmax或бa)和相应的断

3、裂循环周次之间的关系曲线，图1-10。疲劳极限бr——材料经受无数次应力循环而不断裂的最大应力值。过载持久值——材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的应力循环周次。疲劳曲线的斜线部分反映材料的过载能力。斜线部分越陡，则过载能力越强。大多数机械零件是按疲劳极限进行设计的，但有些零件，如飞机起落架或枪炮中的零件等，承受的交变应力远高于疲劳极限，因此要按有限周次确定其疲劳寿命，这时过载持久值就具有重要意义。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

4、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-1NKf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→0，表示对缺口非常敏感。（二）有裂纹零构件的疲劳抗力指标：对于裂纹或缺

5、陷的零构件，裂纹扩展是决定疲劳寿命的重要因素。疲劳抗力指标：裂纹扩展速率da/dN疲劳裂纹扩展门槛值△Kth表示。da/dN由疲劳裂纹扩展曲线获得。疲劳裂纹扩展曲线的测定：通常采用三点弯曲单边切口疲劳试样，在固定应力比和应力幅的条件下循环加载，测定裂纹长度随应力循环周次的变化，直至断裂。图1-13。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，求出循环应力幅作用下疲劳裂纹尖端应力场强度因子幅△K:△K=

6、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主要因素包括：载荷类型：载荷类型不同，应力状态也不同，其疲劳极限也不同。不同载荷下的疲劳极限与б-1有一定的对应关系。拉-压疲劳：б-1p=0.85б-1（钢）б-1p=0

7、.65б-1（铸铁）扭转疲劳：τ-1=0.55б-1（钢及轻合金）τ-1=0.8б-1（铸铁）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