材料的疲劳性能

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1、第五章材料的疲劳性能一.本章的教学目的与要求本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。二．教学重点与难点1.疲劳破坏的一般规律（重点）2．金属材料疲劳破坏机理（难点）3.疲劳抗力指标（重点）4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）5热疲劳（难点）三．主要外语词汇疲劳强

2、度：fatiguestrength断口：fracture过载持久值：overloadoflastingvalue疲劳缺口敏感度：fatiguenotchsensitivity疲劳裂纹扩展速率：fatiguecrackgrowthrate裂纹扩展门槛值：thresholdofcrackpropagation热疲劳：thermalfatigue四.参考文献1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20092.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，

3、19964.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J].装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81五．授课内容-16-第五章材料的疲劳性能第一节疲劳破坏的一般规律1、疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力3、循环载

4、荷（应力）的表征①最大循环应力：σmax②最小循环应力：σmin③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为①对称循环σm=（σmax+σmin）/2=0r=-1属于此类的有：大多数旋转轴类零件。②不对称循环σm≠0如：发动机连杆、螺栓（a）σa>σm>0，-10，σm<0，r<-1③脉动循环σm=σa

5、>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力）④波动循环σm>σa00如：发动机气缸盖、螺栓。⑤随机变动应力应力大小、方向随机变化，无规律性。如：汽车、飞机零件、轮船。二、疲劳破坏的特点在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。3、对缺陷十分敏感（可加

6、速疲劳进程）。三、疲劳破坏的分类1、按应力状态：弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳接触疲劳复合疲劳-16-2、按应力大小和断裂寿命N>105，б<бs高周疲劳→低应力疲劳N=102～105，б≥бs低周疲劳→高应力疲劳四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。σNσ-10疲劳曲线:应力б↑，N↓五、疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源疲劳裂纹扩展区瞬断区1、疲劳源疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。疲

7、劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。-16-贝纹线（海滩花样）贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。名义载荷根据额定功

8、率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。计算载荷=载荷系数*名义载荷3、瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域断口特征：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪