第五章材料力学性能课件.ppt

§6　影响疲劳强度的主要因素 二、表面状态与尺寸因素 1. 表面状态： 缺口：因应力集中会降低材料的疲劳强度。 因为不均匀滑移产生于表面，裂纹产生于表面。 表面粗糙度：越粗糙，曲线左下移，材料的疲劳强度越低，过载抗力降低 表面强度：表面强度越高，抵抗表面滑移能力越强，可阻止裂纹在表面产生，疲劳强度越高。 2. 尺寸效应： 尺寸增加，由表面到心部的应力梯度下降，高应力区体积增大，损伤区增大，缺陷几率增大，疲劳强度降低。 三、表面强化及残余应力的影响 1. 表面喷丸及滚压 喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面 ①表面产生局部塑性变形，形变强化，阻止循环滑移、开裂 ②产生表面残余压应力，降低缺口应力集中系数及缺口敏感度。 §6　影响疲劳强度的主要因素 ★弹丸尺寸d：0.1~1mm，压应力层厚度1/4~1/2d，压应力的大小与喷丸压力、速度及d有关．应保证压应力层厚度大于表面缺陷的厚度。 喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行。 ★不适合于抗压（次表面拉应力促裂），不适合低周大应力疲劳，消除强化，喷丸不可过渡，否则可以在表面产生裂纹 §6　影响疲劳强度的主要因素 表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很适用于大型的、形状规则工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。 2. 表面热处理及化学热处理 表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。 表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。它们都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法。 表面强化处理提高机件表面的强度和硬度，提高疲劳强度；同时还可在机件表面产生的残余压应力。 3.残余应力 残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力。叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应力增大。 §6　影响疲劳强度的主要因素 因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。 残余压应力提高疲劳强度； 残余拉应力降低疲劳强度。 ★表面强化对于扭转、弯曲作用下的疲劳，特别是缺口试样（缺口处压应力集中）强化效果明显。 四、材料成分及组织 1. 合金成分 1) 含碳量 结构钢中C固溶强化基体，形成K弥散强化，形成抗力增加，阻止滑移开裂。 HRC40： HRC40： HRC过高：脆性 2) 合金元素 提高淬透性，改善韧性， 2. 显微组织 1) 晶粒尺寸 细化晶粒，可以提高材料强韧性，疲劳极限提高。 §2 高周疲劳 二、过载持久值及过载损伤界 1.应力变动和累积损伤 由于实际的构件多是承受在一定范围内变动的载荷，随着循环周次的增加，材质劣化，材料内部发生损伤；当损伤积累到某 一数值时，材料固有的寿命或塑性耗尽，便导致材料的破坏。 设试件在循环应力σ1下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力幅下循环1次，则劳寿命缩减的分数为1／Nf1 ，即造成的损伤度为D1，D1 =1/Nf1 ; 若循环n1 次, 则造成的损伤度为n1 D1 = n1 /Nf1 当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。 在理论疲劳极限以下，由于Nf →∞，所以损伤度为零，即不造成损伤。 §2 高周疲劳 2.过载持久值及过载损伤界 金属机件偶然经受短期过载，材料原来的疲劳极限可能没有变化，也可能有所降低，这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。 1） 过载持久值： 材料在高于疲劳极限应力下运行时, 发生疲劳断裂的应力循环周次。 表征材料抵抗过载的能力。 2）耐久极限：疲劳曲线倾斜部位任一点对应的应力 3） 过载损伤界 金属在高于其疲劳极限的任一应力作用下运转，使疲劳极限开始降低的运行周次 4）过载损伤区 §2 高周疲劳 机件过载运转到这个区域里，都要不同程度地降低材料疲劳极限，在持久值附近，降低的越多。 材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。 ★过载损伤的机理 材料内部存在裂纹，σσ-1时裂纹非扩展；时裂纹由于积累，尺寸增大，经过一定周次后，若其尺寸＜非扩展裂纹临界尺寸，σ-1不变，若其尺寸≤非扩展裂纹临界尺寸，则σ-1 降低。 ★过界损伤的物理意义： 在不同过载应力下，损伤累积造成裂纹尺寸达到或者超过疲劳极限的非扩展裂纹临界尺寸的循环次数。 第五章 金属的疲劳 §3　疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。 虽然工程结构的循环寿命大部分消耗在裂纹很小甚至检查不出来的初期扩展阶段。但在给定负荷下，一个含裂纹的试样或零件的裂纹扩展会越来越快。 研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素，对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。 一、疲劳裂