材料的力学行为及性能

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1、第六章材料的疲劳§6.1材料疲劳概述一、疲劳的概念在此以前讨论的构件强度，大都是静应力条件下的问题，然而，工程中，特别是机械工程中的许多构件，受到的并非是静应力，它们或者受到随时间变化的载荷的作用（蒸汽轮机活塞杆，时而受压，时而受拉），或载荷虽不变化而构件本身在转动（齿轮轴）；或者构件的环境温度在反复地变化。这称为变动或交变载荷。本质地讲，这类构件内部的应力应变是变动的或交变的；如曲轴、连杆、齿轮、叶片以及桥梁等，在这种载荷作用下，即使所受的应力低于断裂强度，甚至屈服强度，也会发生微裂纹的萌生和扩展，最终发生断裂，这种现象称为疲劳断

2、裂。疲劳：当结构在循环和交变应力下，裂纹可以萌生并增长到临界尺寸而发生失稳断裂的过程。或：因循环应力和交变应力而使材料抵抗裂纹扩展和断裂能力减弱的现象。二、疲劳断裂的特点1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂；（断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长，当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长）2）疲劳断裂是脆性断裂；（应力水平低，断裂前没有明显的宏观塑性变形预兆，突发的脆性断裂）3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。据统计，疲劳断裂在整个失效件中占70％～80％左右，危害性极大。本章研究金属疲劳的一般规

3、律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素、疲劳裂纹扩展寿命估算及延寿技术，以便为疲劳强度设计和选用材料、改进工艺提供基础知识。（疲劳又可分为机械疲劳、热疲劳、冲击疲劳等）8§6.2变动载荷与循环应力一、变动载荷变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷，它在机件内部引起的效应之一就是出现变动应力。变动应力可以分为规则周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力两种。生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力，而且试验时也容易模拟，所以研究较多。二、循环应力循环应力的波型有正弦波、矩形波和三角

4、波等，其中最常见的为正弦波。循环应力可以用以下几个参量来表示：①最大应力σmax②最小应力σmin③平均应力：④应力幅值：⑤应力比：常见的循环应力有以下几种：①对称交变应力：σm=0；R=-1；②不对称交变应力：0<σm<σa；-10；R=0；④波动应力：σm>σa；0

5、e），在很高的应力作用下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较为明显的塑性变形；（1/4~104或105Cycles）②高循环疲劳区（高周疲劳，HighCycleFatigue），循环应力低于弹性极限，疲劳寿命Nf>105循环，且随循环应力降低而延长。试件在整体断裂前，整体上无明显的塑性变形，宏观上表现为脆性断裂；（前两者合称有限寿命区）③无限寿命区（安全区），试件在低于某一临界应力幅σac，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无穷，称为材料的理论疲劳极限。二、疲劳极限在工程实践中，将疲劳极限定义为：在给定的疲劳寿命下

6、，试件所能承受的上限应力幅值。也称疲劳强度对于结构钢，指定寿命通常取Nf＝107Cycles。在应力比R=-1时测定的疲劳极限记为σ-1。（光滑试样的疲劳极限和材料的抗拉强度有一定的经验关系：钢，σb<1200~1400MPa，σ-1=0.5σb，且组织成分对其影响不大；铝，σ-1=(0.3~0.35）σb)三、缺口对疲劳寿命曲线的影响疲劳曲线和疲劳极限因缺口存在和应力集中（Kt）而降低。8四、非对称循环应力下的疲劳寿命曲线研究非对称循环应力下的疲劳，实际是研究平均应力（σm）或应力比（R）对疲劳寿命、疲劳极限的影响。（拉应力是对疲

7、劳裂纹扩展起推动作用的；压应力是对其起阻碍或者不起作用的）如图所示，在给定的应力幅下，随着平均应力的升高（或随着应力比R的增加，或循环曲线上移），疲劳寿命缩短；对于给定的疲劳寿命，平均应力升高，材料所能承受的应力幅降低，相应的，疲劳极限降低。五、疲劳曲线的局限性Ø没有把疲劳的发生和扩展区分开来；Ø没能揭示疲劳裂纹扩展的各个阶段；Ø没有考虑原材料中具有一定长度的初始裂纹，而不同长度的初始裂纹将对疲劳寿命有很大影响；Ø由于没有引入断裂力学的计算方法，难以对疲劳寿命难以做定量的预测。因此必须引入断裂力学的一些概念，来对材料的疲劳行为进行进

8、一步探讨。而在此之前，必须对疲劳裂纹的萌生及扩展机制做一初步分析。§6.4疲劳失效过程及机制疲劳过程由疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳态扩展以及失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳态（亚临界）扩展期Np所组成，即Nf=