《材料性能学》5章电子教案ppt课件.ppt

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1、第五章材料的疲劳性能概述：工程中许多的机件和构件都承受交变载荷的作用，如曲轴、连杆、齿轮、叶片和轴承等等，这些构件的主要破坏形式是疲劳破坏，据统计，断裂中有80％以上是疲劳破坏，因而造成了重大的经济损失。疲劳失效是机件的主要失效形式。研究疲劳失效有重要实际意义。研究主要体现在两个方面：定寿和延寿。1第一节交变载荷与疲劳破坏的一般规律一、交变载荷及其描述1、概念：交变载荷是指大小、方向或大小和方向都随时间作周期性变化或非周期性变化的一类载荷.交变应力是单位面积上的平均载荷.2一、交变载荷及其描述3一、交变载荷及其描述C脉动循环:σm=σa>0,r＝0;σm=σa<

2、0,r＝-∞D波动循环:σm>σa,0＜r＜1E随机变动应力:应力大小、方向都作无规则的变化4二、疲劳破坏的概念和特点1．疲劳概念材料在循环载荷的长期作用下，即使受到的应力低于屈服强度，也会因为损伤的积累而引发断裂的现象叫做疲劳。疲劳过程是指材料在小于屈服强度的变动载荷作用下，经过长期运转而逐渐发生损伤累积和开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程。2.疲劳曲线（1）疲劳寿命的概念和两种定义疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间5二、疲劳破坏的概念和特点两种定义:A.按循环次数B.到破坏所需的时间（2）疲劳曲线（S-N曲线）A.底循环疲劳区：高应力,明显塑变

3、,应力超出弹性极限,循环次数低于105B.高循环疲劳区：低应力,无明显塑变,应力未超出弹性极限,循环次数高于105C.无限寿命区（安全区）:应力低于材料的疲劳强度.63．疲劳破坏的特点疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：（1）该破坏是一种潜藏的突发性破坏在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起安全事故和造成经济损失．（2）疲劳破坏属低应力循环延时断裂对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要(订寿)．二、疲劳破坏的概念和特点7二、疲劳破坏的概念和特点（３）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺

4、陷具有高度的选择性．因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等），将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展．（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（N＞105）和低周疲劳（N=102～105）8三、疲劳断口的宏观特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重

5、要方法．如图5－4所示，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．9三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征10三、疲劳断口的宏观特征疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连．但若材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点等），也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源．疲劳源可以是一个也可以是多个，其多少与工程应力状态及过载程度有关。疲劳裂纹扩展区：是疲劳裂纹亚晶界扩展形成的区域．11三、疲劳断口的宏观特征其宏观特征：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．断口

6、光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异．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，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹．疲劳区的每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向．12三、疲劳断口的宏观特征瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域．在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．该区的断口比疲劳

7、区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变．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，边缘平面应力区则有剪切唇区存在．13第二节疲劳破坏的机理材料的疲劳失效过程大致可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，和断裂。一、金属材料疲劳破坏机理1、疲劳裂纹的萌生金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程．因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成．目前尚无统一的尺度标准确定裂纹萌生期，低应力时，疲劳的萌生期可占整个寿命的大半以上．大量研究表明：疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起

8、．且通常形成于试件或零件