材料的疲劳性能

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1、材料力学性能材料化工学院第五章材料的疲劳性能1850-1860,Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。1920-Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。1945年由Miner提出的线性累计损伤理论问世；1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系；1961年Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概

2、念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法；目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。前言材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。前言疲劳破坏表现的形式：机械疲劳—外加应力/应变波动造成的。蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。前言1、变动载荷→疲劳断裂。前言2、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。第五章材料

3、的疲劳性能§5.1疲劳破坏的一般规律§5.2疲劳破坏的机理（简述）§5.3疲劳抗力指标§5.4影响材料及机件疲劳强度的因素(自学)§5.5热疲劳(自学)§5.1疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力二、疲劳破坏的概念和特点三、疲劳断口的宏观特征一、疲劳破坏的变动应力1、疲劳：变动载荷和应变→长期作用→累积损伤→断裂。2、变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。3、变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。4、变动应力分类：规则周期变动应力(或称循环应力)；无规则随机变动应力。5、循环应力：周期性变化的应力。有正弦波、矩形波和三角波等。最常见的为正弦波。一、疲劳破坏的变动应力6、表

4、征应力循环特征的参量①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力σm＝(σmax+σmin)/2；③应力幅σα或应力范围Δσ：σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2；④应力比r＝σmin/σmax。⑤载荷谱：载荷-时间历程曲线一、疲劳破坏的变动应力7、循环应力类型：(1)对称循环：σm＝0，r＝-1。(2)不对称循环：σm≠0，-10，r＝0或σm＝σα<0，r＝∞。(4)波动循环（重复载荷）：σm>σα，0＜r＜1。(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程：变动应力→薄

5、弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。(2)疲劳破坏：循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。二、疲劳破坏的概念和特点2．疲劳破坏的特点：(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。(3)对缺陷具有高度的选择性。(4)可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳(低应力疲

6、劳，σ＜σs)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。三、疲劳断口的宏观特征1、典型疲劳断口具有3个特征区—疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2、疲劳源：(1)多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。(2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。(3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。三、疲劳断口的宏观特征3、疲劳区：(1)断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。(2)断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱；(3)贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的。每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳

7、源，凸侧指向裂纹扩展方向。三、疲劳断口的宏观特征4、瞬断区：(1)KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．断口粗糙，脆性断口呈结晶状；韧性断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。(2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。§5.2疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理（自学）一、金属材料疲劳破坏机理分为三个主要阶段：1、疲劳裂纹形成，2、疲劳裂纹扩展，3、当裂纹扩展达到临