疲劳断裂讲义课件.ppt

《疲劳断裂讲义课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、疲劳断裂讲义第一节交变应力与疲劳破坏现象第二节疲劳破坏机制第三节疲劳破坏的宏观与微观特征第四节疲劳断裂力学第五节影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素第六节改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法1第一节交变应力与疲劳破坏现象结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发生，损伤严重。→事先预防是关键！1998年德国高铁出轨事故（200Km，近百人亡，伤300余人）2交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性

2、变化的。例如：火车的轮轴。交变应力→构件中点的应力状态随时间而作周期性变化的应力。A.交变应力3齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随时间作周期性变化。4从构件的应力-时间曲线中可看出：在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转一周就要从最大值σmax变到最小值σmin，然后又恢复到最大值，即：轴每转一周，应力就完成一次循环,称为一个应力循环。∣σmax∣=∣σmin∣为对称循环，否则为非对称循环。05交变应力的几个名词术语:6交变应力的几种模式：7脉动循环：变动于零到某一最大值之间的交变应力循环，称为脉动循环。08（3）稳定交变应力：交变应力的最大应力和

3、最小应力的值，在工作过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。不稳定交变应力任意振幅、应力（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:9构件在交变应力下，当最大应力低于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。即使是塑性较好的材料断裂前也无明显的塑性变形。疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即：疲劳裂缝形成疲劳裂纹扩展最终失效断裂。10B.疲劳破坏的分类屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。应力-寿命曲线实际上，试验不可能无限期的进行下去，一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久寿命，这

4、个规定的循环次数N0称为循环基数。与N0对应的就是持久极限。持久极限疲劳寿命持久极限旋转梁疲劳试验机11通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳限特性→对应S-N曲线图随着应力降低而呈现水平状态。通常非铁材料（如：Al、Cu合金）都无真正的水平疲劳限。耐久比：条件持久极限12依疲劳寿命Nf来分类：13许多应用的工程零件无需承受数万次循环（即Nf＜105），如：汽车启动器上的弹簧零件、热交换管及涡轮转子和叶片等。→依此循环寿命进行零件设计，可大量减轻零件质量，降低生产成本。低周疲劳的特点典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线Basquin提出关系式：疲劳强度系

5、数近似于抗拉强度b值介于-0.05—-0.12之间。14典型的应变-寿命关系曲线Coffin与Manson提出材料塑性变形与疲劳寿命之间的关系式：C值介于-0.05—-0.7之间。Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变与疲劳寿命关系式：材料本身的特性也会使应变-寿命曲线有所不同！15→不同性质材料的应变-寿命曲线当循环应力继续作用，材料的应力-应变曲线形状会产生变化，代表其材质对应力-应变反应的改变。根据迟滞曲线形状变化的不同，可分为四种：①循环硬化16应变范围固定，则应力范围越来越小。②循环软化③混合行为17④循

6、环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显多种材料的单向拉伸应力与循环应力的应力-应变曲线循环硬化循环软化18第二节疲劳破坏机制疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即：疲劳微裂缝形成疲劳裂纹扩展最终失效断裂19A.疲劳微裂缝形成表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材料差异导致的强度最弱的地方。如：表面刮痕、缺口等。内部缺陷，如夹杂物、晶界、双晶界等强度较低之处。20循环应力作用几千次后，某些晶粒中发生位错滑移，滑移线增多将形成永久滑移带（PSB,含5000余条滑移线)，导致材料表面上出现挤出与挤入，此两者均会沿着永久滑移带平行发展，最终形成疲劳微裂

7、缝。21铜单晶中PSB上的挤出与挤入区实际照片22B.疲劳微裂缝成长成长速率与成长方向为局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。疲劳裂缝成长，依先后顺序分成：◇第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行◇第II阶段：垂直应力方向进行23第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成长，使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢，且为单一滑移。若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移，将有利于第I阶段的成长。24第II阶段：疲劳裂缝垂直应力方向进行当疲劳

8、裂缝前端的塑性变形由单一滑移进入多重滑移或是疲劳裂缝成长被障碍物阻挡时会进入第II阶段,且成长速度加快,成长