工程材料力学性能第五章__金属的疲劳ppt课件.ppt

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1、第五章金属的疲劳第一节金属疲劳现象及特点第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能第三节疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值第四节疲劳过程及机理第五节影响疲劳强度的因素第六节低周疲劳第一节金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力1、变动载荷和变动应力变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周期变动应力和无规则随机变动应力两种。2、循环应力规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个参量：最大应力σmax最小应力σmin平均应力σm=（σmax+σmin）/2应力幅σa=（σmax－σmin）/2应力

2、比r=常见的循环应力（1）对称交变应力：σm=0r=-1（2）脉动应力：σm=σa>0,r=0或σm=σa<0,r=-∞（3）波动应力：σm>σa0105；σ<σs亦称低应力疲劳。

3、低周疲劳：Nf=102—105；σ≥σs亦称高应力疲劳或应变疲劳。3、疲劳破坏的特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂,断裂寿命随应力不同而变化。（2）∵σ<σs；故不论是韧性材料，还是脆性材料，疲劳断裂均是脆性断裂。（3）疲劳对缺陷十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，故对缺陷具有高度的选择性。（4）疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程。∵应力低，具有明显的裂纹萌生和亚稳扩展阶段。三、疲劳宏观断口特征典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。1、疲劳源疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一般总是产生在构件表面层的局部应

4、力集中处，但如果构件内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生疲劳源。疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较大，断口上常有几个不同位置的疲劳源。可以根据源区的光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲劳源的产生顺序。源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲劳源越先产生。2、疲劳区——判断疲劳断裂的重要特征该区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（由载荷变动引起）或海滩波纹状花样。每个疲劳区的贝纹线如一簇以疲劳源为圆心的平

5、行弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。贝纹线间距也不同，近疲劳源处贝纹线较细密，表示裂纹扩展较慢；而远离疲劳源处贝纹线较稀疏，表示裂纹扩展较快，留下的痕迹较粗糙。与过载程度以及材料性质有关：名义应力较低或材料韧性较好→疲劳区较大，贝纹线细而明显。名义应力较高或材料韧性较差→疲劳区较小，贝纹线粗而不明显。有时在疲劳裂纹扩展区的后部还可看到沿扩展方向的疲劳台阶，亦称疲劳沟线，这是在高应力下，裂纹沿不同平面扩展最后形成的。3、瞬断区瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载荷下的断口一

6、样，脆性材料为结晶状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区出现剪切唇。瞬断区位置应在疲劳源的对侧（旋转弯曲特殊）瞬断区的大小和构件名义应力及材料性质有关。若名义应力较高或材料韧性较差→则瞬断区↑，反之则瞬断区↓。第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能一、疲劳实验方法原理：用小试样模拟实际机件的应力情况，在疲劳试验机上系统测量材料的疲劳曲线，从而建立疲劳极限和疲劳应力判据。试验设备：最常用的旋转弯曲疲劳试验机试验标准和方法：GB4337－84金属旋转弯曲疲劳试验方法GB3075－84金属轴向疲劳试验方法将相同尺寸的疲

7、劳试样，从0.67σb～0.4σb范围内选择几个不同的最大循环应力σ1、σ2、…σn，分别对每个试样进行循环加载试验，测定它们从加载开始到试样断裂所经历的应力循环次数N1、N2、…Nn，然后将试验数据绘制成σmax－N曲线或σmax-lgN曲线，即疲劳曲线。旋转弯曲疲劳试验机二、疲劳曲线疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线统称疲劳曲线（S－N曲线），分两种：有水平线段的疲劳曲线和无水平线段的疲劳曲线。三、疲劳极限1、定义疲劳极限—材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标。条件疲劳极限—材料抵抗规定应力循环周次而不疲劳断裂的强度指标。两者统称疲劳

8、强度，常用σr表示，r为应力比，如对于对称应力循环：r=-1，则疲劳极限用σ-1表示。疲劳断裂应力判据σ≥σr疲劳断裂σ-1的测定详见国家标准GB43