《疲劳强度及》PPT课件

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1、第二讲疲劳强度及影响因素一、基本概念：1、疲劳破坏的特征（1）疲劳的定义材料在循环应力或循环应变的作用下，由于产生了局部永久性结构变化，从而在一定循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。（2）交变载荷（循环载荷、疲劳载荷）载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机性的变化。疲劳载荷包括随机载荷和确定性载荷（3）疲劳破坏的特征a、交变应力水平低：应力远小于强度极限或屈服极限，破坏就又可能发生。b、脆性断裂：C、具有局部性：d、疲劳过程是一个累计损伤的过程：裂纹形成－裂纹扩展－失稳断裂e、疲劳断口在宏观和微观上有特征：2

2、、疲劳寿命（1）概念疲劳失效以前所经历的应力或应变的循环次数叫疲劳寿命。用N表示（2）计算表达式N=N0+Np其中，N-总寿命N0－裂纹起始寿命Np－裂纹扩展寿命二、金属疲劳破坏机制金属的疲劳破坏可分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。1、疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生都是由局部塑性应变集中所引起。常见的裂纹萌生方式有：滑移带开裂、晶界和孪晶界开裂、夹杂物或第二相与基体的界面开裂。（1）滑移带开裂（裂纹产生的基本方式）纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移带开裂。滑移带开裂过程：金属在循环载荷作用下－在

3、薄弱的晶粒间沿着晶面产生塑性应变－金属晶粒产生滑移（不可恢复）－金属表面产生滑移线－随着循环次数的增加而汇集成表面滑移带－发展成驻留滑移带－形成裂纹（2）晶界开裂：（3）夹杂物或第二相与基体的界面开裂疲劳裂纹一般在金属表面萌生。2、疲劳裂纹的扩展：分两个阶段（1）第一阶段：沿剪应力最大的活性面向内扩展，形成很多微裂纹。（2）第二阶段：裂纹沿拉伸应力垂直方向扩展3、失稳断裂：三、疲劳破坏断口分析（一）、宏观分析：疲劳源：很小，宏观看不到。在显微镜下可见疲劳断裂扩展区：细晶粒，深色、平滑，海滩状失稳断裂区：粗晶粒，凹凸不

4、平，白色，撕裂或台阶状（二）、微观分析：1、疲劳裂纹的形成：a、一般发生在表面b、结构受交变载荷的影响c、塑性变形的积累d、表面缺陷2、疲劳裂纹的形貌第一阶段，断口光滑，具有结晶性质。第二阶段疲劳裂纹扩展区有如下特征：a、疲劳区宏观赏平坦光滑，微观凹凸不平。b、具有疲劳条文c、轮胎压痕和脊骨压痕特征d、在疲劳裂纹扩展时，还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。（三）、构件的断口分析现场调查断口宏观分析四、疲劳试验试样及其制备（一）、试样类型根据施加载荷的类型，试样形状可分为弯曲试样、轴向加载试样和扭转试样。同时它们又有光滑

5、试样和缺口试样之分。如书中图2-4----2-10（p19-20）dmmd的公差mmrmmLmmD/d67.59.5±0.01≥3d40>1.5旋转弯曲光滑圆柱形试样尺寸轴向加载光滑试样尺寸见表2-2（p21）（二）、试样制备试样的制备对所测材料的疲劳性能有直接影响，从切取毛坯到进行试验要经过取样、机械加工、热处理、尺寸测量、探伤检验及贮存等工序。1、取样（p22－23）2、机加工3、热处理4、测量、探伤与贮存五、材料的S-N曲线（一）应力循环σaσmσmaxσminTσm-平均应力σa应力幅σmax最大应力σmin

6、最小应力它们之间的关系:σmax=σm+σaσmin=σm-σa应力循环特征用应力比R表示R=σmin/σmaxR在1—-∞之间载荷可变系数:A=σa/σmA=(1-R)/(1+R)R=(1-A)/(1+A)几种典型的应力循环特征.(p24表)(二)描述材料疲劳性能的S—N曲线概念:表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S—N曲线.它是由实验测定的.1、试样种类：试样由三部分组成：试验段、夹持段、过渡段。2、S—N曲线：用一组标准试件在一定平均应力（或一定循环特征应变）下，施加不同的应力幅，测出试

7、件断裂时的循环次数。3、S—N曲线形状和表达式（1）S—N曲线的形状当N较大时近似为水平直线，它对应的应力为持久应力。（2）S—N曲线的简化（3）S—N曲线的表达式＃＃＃＃（4）疲劳破坏的三个阶段（如图）σaσbLCFHCFSFσ-1LCF段，低循环疲劳段，宏观屈服。HCF段，高循环疲劳段，线性段，N=1万－百万次。疲劳极限段SF段，N>10的7次方。（三）S—N曲线的测定方法1、单点法：一个应力水平下只测一根试样，然后将缩测得的点连成一条关画的曲线，称为S—N曲线。2、成组法：应力水平一般取4－6级，可在0.6σb

8、与σ－1之间选取，每一应力水平下用4－8根试样进行试验和数据处理。取其对数寿命的平均值。曲线的绘制用描点法或直线拟合法。六、材料的疲劳极限（一）定义1、疲劳极限：疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度。2、条件疲劳极限：在S-N曲线上，与非水平段对应的最大应力σmax称为条件疲劳极限。3、疲劳极限的表示方法材料的对称弯曲疲劳极限用σ－1表示。对称拉压疲