金属的力学性能第5章金属的疲劳 课件.ppt

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1、1/69一些构件在远低于抗拉强度的变动载荷作用下，经过一定周次之后，会发生突然破断，但在破断前没有明显的宏观塑性变形-疲劳破坏。在整个失效件中占80％；疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往<σb，甚至<σs；不发生明显的塑性变形，难预防，损失大。第五章金属的疲劳性能2/69元凶是制造飞机机体结构的金属材料产生疲劳。金属机体表面存在细小的裂纹，飞机增压舱内方形舷窗处的机身蒙皮，在反复的增压和减压冲击下，不断地来回弯曲变形，使裂纹逐步扩展，反复数次，最终招致金属疲劳断裂。3/694/69疲劳断裂：在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂

2、现象。积劳成疾一、变动载荷和循环应力1、变动载荷：指大小或大小和方向都随时间发生周期性或无规则变化的载荷。变动应力：单位面积上的平均变动载荷称为变动应力。周期变动应力(循环应力)和随机变动应力。§5.1金属的疲劳现象及特点5/69图5-2循环应力的类型a)、e)交变应力b)、c)、d)重复循环应力6/692、循环应力(1)循环应力的描述：假设波形为正弦波。最大与最小应力平均应力应力幅应力比应力半幅：循环应力中应力变动部分的幅值。应力比：即应力循环对称系数，指的是应力循环的不对称程度。7/69对称交变应力脉动应力不对称交变应力波动应力σm=0，r=-1

3、σm>σa，00，r=0σm=σa<0，r=∞图5-2a图5-2e图5-2d图5-2b8/69二、疲劳现象及特点1、分类：根据断裂周次高低(1)高周疲劳(断裂周次Nf>105)断裂应力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，即通常所说的疲劳——机械疲劳；高周疲劳定义：材料在低于屈服极限的交变应力作用下，于超过105循环周次而产生的疲劳断裂。9/69(2)低周疲劳(Nf＝102－105)断裂应力水平较高，σ≥σs，也称高应力疲劳或应变疲劳。低周疲劳定义：材料在接近或超过屈服极限的交变应力作用下，由于塑性应变反复循环，于超过1

4、02-105循环周次而产生的疲劳断裂。10/69低周疲劳和高周疲劳分类的意义：高周疲劳：弹性应变占主体，应力循环中消耗的功主要用于弹性变形，须提高材料强度；低周疲劳：塑性应变占主体，应力循环中消耗的功主要用于塑性变形，须提高材料塑性。11/692、疲劳断裂特点(与静载荷相比较)(1)低应力、延时、有寿命的断裂。断裂应力常低于抗拉强度，甚至屈服强度。非瞬断，需一定循环次数；静载荷：σ>σb瞬断。(2)脆性断裂脆性材料、韧性材料破坏前均无明显的宏观塑性变形。静载荷有韧性、脆性断裂之分。12/69(3)疲劳对缺陷十分敏感疲劳断裂实质是裂纹从萌生、逐渐扩展直

5、至断裂的一个损伤累积过程，并且损伤总是从局部区域开始(积劳成疾)。13/69三、疲劳宏观断口特征疲劳源、疲劳区、瞬断区。图5-1疲劳宏观断口疲劳源疲劳区瞬断区14/691、疲劳源裂纹的萌生地。一般在表面，也可在内部。光亮度最大。表面产生加工硬化。可有一个或几个疲劳源—与应力状态和大小有关。2、疲劳区(贝纹区)断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。15/69有多个疲劳源时，如何判断其产生的先后顺序？可根据源区的光亮度、相邻疲劳区的大小和贝纹线的密度确定其产生顺序。光亮度越大，相邻疲劳区越大，贝纹线越多越密者，疲

6、劳源越先产生。16/69贝纹线指疲劳裂纹扩展过程中留下的一条条以裂纹源为中心的同心弧线。(1)贝纹线的实质在变动载荷作用下，在裂纹扩展前沿线留下的弧状台阶宏观痕迹。(2)贝纹线的意义贝纹线是疲劳断口最典型的宏观特征；通过贝纹线可寻找到疲劳源。17/69贝纹线圆心为疲劳源，一般情况下，贝纹线凸侧指向扩展方向。贝纹线的间距越小，说明疲劳裂纹的扩展速率越慢——或者由于材料的韧性较好，或者工作应力较低。通常较软的材料中易出现贝纹线。18/693、瞬断区当裂纹长大达到临界尺寸，或裂纹尖端应力集中达到材料的断裂强度，或裂纹尖端的应力场强度因子达到断裂韧度时，裂纹

7、发生失稳快速扩展而脆断。一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。19/69一、疲劳曲线疲劳曲线是所加应力σmax(或应力半幅σa)与断裂周次N的关系曲线，即S-N曲线。§5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能图5-2疲劳曲线20/69有水平段的疲劳曲线。具有应变时效的金属材料具此特征两类疲劳曲线无水平段的疲劳曲线。无应变时效的金属材料具此特征疲劳曲线的分类疲劳极限条件疲劳极限21/69二、疲劳极限1、疲劳极限的定义材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力，称疲劳极限，也称疲劳强度。通常用：σr表示。r表示应力

8、循环对称系数，应力比。107周次作为测定疲劳极限的基数，记为N0，因此无限寿命疲劳极限是有条件的。22/69