第五章 材料的疲劳性能ppt课件.ppt

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1、第五章金属的疲劳绪言很多机件和构件都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。疲劳破坏在全部失效事件中约占80％左右，极易造成事故，危害性极大。因此，工程技术界对其极为重视，从力学、设计、材料及工艺等方面开展疲劳研究，寻求有效对策，至今已有百余年的历史，取得了很大进展，成为材料强度科学领域中的一个重要组成部分。本章研究工程材料：疲劳的一般规律疲劳破坏过程及机理疲劳性能及其影响因素等以便为疲劳强度设计和选用材料提供必备的基础知识。第一节疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力工件在变动载荷和

2、应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷是指大小，甚至方向随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种，可用应力－时间曲线描述如下。机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。表征循环应力特征的参量有：按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力有以下几种类型。(1)对称循环，σm=0，r=－l，大多数旋转轴类零件承受此类应力。(2)不对称循环：大拉小拉、大压小

3、压、大拉小压、大压小拉等。(3)脉动循环（属于不对称循环）：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力；σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力。(4)波动循环（属于不对称循环）：σm>σa，0

4、、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始损伤累积，最终引起整体破坏的过程。疲劳破坏的断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。2、疲劳破坏的特点疲劳破坏与静载或一次性冲击破坏比较具有以下

5、特点：(1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，无论材料在静载下显示韧性破坏还是脆性破坏，它在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。(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（压力容器）。(3)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)十分敏感。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)疲劳断裂包括裂纹萌生和扩展过程。具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示

6、出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。疲劳分类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，有高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳的断裂寿命(N)较长，N>105，断裂应力水平较低，σ<σs，又称低应力疲劳，为常见的材料疲劳形式；低周疲劳的断裂寿命较短，N<102～105，断裂应力水平较高，σ≥σs，往往伴有塑性应变发生，常称为高应力疲劳或应变疲劳。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，具有明显的疲劳断口形貌特征，而这

7、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要方法。典型疲劳断口具有3个特征1、疲劳源2、疲劳裂纹扩展区3、瞬断区。疲劳源是疲劳裂纹的萌生地，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。因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是多个，它与机件的应

8、力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。若断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生