06-材料的疲劳.ppt

第六章 材料的疲劳 6.1 疲劳现象 特征参数： 最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力 σm=（σmax＋σmin）/2 应力半幅 σa=（σmax－σmin）/2 二、疲劳裂纹扩展 第一阶段：裂纹沿最大切应力方向(与主应力成45o角)的晶面扩展，每一循环只前进0.1um数量级，速度很慢，扩展的距离约为2-5个晶粒(晶界的阻碍可促进裂纹转向)，断口常难以分辨特征，仅有一些擦伤痕迹。 三、疲劳裂纹扩展机制与疲劳断口微观特征 疲劳辉纹与贝纹线的区别 辉纹线为疲劳裂纹每扩展前进一步所留下痕迹，为微观形貌（可在电子显微镜下观察）特征； 贝纹线是因外界因素变化所引起的载荷变动(如应力振幅、载荷大小、载荷停歇、应力频率等等)所致的辉纹线变化，而在宏观上表现出来的各组辉纹线之间的分界线，为断口的宏观表现形貌，在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳辉纹。 6.3 疲劳裂纹扩展速率与门槛值 疲劳裂纹扩展曲线a－N 该设计要求为最严格的设计要求(高于疲劳极限σ-1)，用于设计一些需绝对安全的极重要且不需考虑重量的构件（如核电热机轴，特大型水电站主轴，永久性桥梁等）的设计指标。 ΔKth一般仅为KIC的5~10%。 零件使用寿命的估算（裂纹扩展寿命）： 6.4 疲劳强度指标 有些机件不要求无限寿命，要求在高于σ-1下工作；有些机件在服役过程中，会受到偶然过载作用，如汽车紧急刹车、起动。 过载持久值： 定义：材料在高于σ-1的工作应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次，也叫有限疲劳寿命。表征材料抗疲劳过载能力的力学性能指标。 金属机件经受短期过载，而后再在正常的工作应力下运行。这种短期的过载对材料的性能（σ-1或过载寿命）是否产生影响，取决于过载应力及过载周次。 实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。 金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。 由疲劳缺口敏感度评定材料时，可能会出现两种极端情况： 6.5 影响疲劳性能的因素 一般用Δεp~N曲线作为低周疲劳的疲劳曲线来描述材料的抗疲劳性能，低周疲劳寿命取决于 Δεp 。 材料在恒应变辐下进行低周疲劳测试，刚开始时，其σ-ε循环回环为不封闭的，经一定周次后形成稳定回环。 在稳定回环的形成过程中，材料的形变抗力在应力循环下表现为： 循环硬化：恒应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力（形变抗力）不断增加（需维持恒应变）； 循环软化：恒应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力（形变抗力）不断减少（需维持恒应变）。 a0为初始裂纹长度； ac为裂纹的临界尺寸：αc =(KIC/Yσ)2 在无限大厚板的中心有一穿透裂纹2a=2.0mm，设板受垂直于裂纹的交变应力，其中σmax= 210MPa，σmin= -50MPa。已知板材的KIC=60 MPa.m1/2，⊿Kth=6.0 MPa.m1/2；Paris公式中的参数C=4×10-12、⊿K=⊿σ(πa)1/2，且da/dN∝(ry)1.5（ry为塑性区尺寸）。试计算该中心裂纹板的剩余疲劳寿命。 一、S－N曲线与疲劳极限 疲劳曲线（S－N曲线）：应力循环对称系数r一定时，最大交变应力σmax（或交变应力半幅σa ）与疲劳寿命（循环周次）的关系曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。 1860年，维勒（Wh?ler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。 疲劳极限 疲劳曲线有明显水平部分： 当σmaxσr时，N?∞，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，称σr为疲劳极限(或绝对疲劳极限、无限疲劳极限)： r =-1时，称之为对称应力循环疲劳极限，记为σ-1； 疲劳曲线一般有两种情况： 疲劳极限 2) 某些材料（有色金属、不锈钢等）的S－N曲线无明显水平部分： 规定一个疲劳极限循环基数，并以循环基数值对应的应力为条件疲劳极限（或规定疲劳极限），以σr（N0）表示。不同材料，循环基数取值不同，如对铸铁，规定N0 ＝107次。 N0 条件疲劳极限 疲劳断裂判据： 对称循环应力： 不对称循环应力： 疲劳极限是表征材料抵抗疲劳破坏能力的力学性能指标，表示材料在交变应力下工作且不发生疲劳断裂时所能承受的最大应力，或能工作到某使用寿命时不发生疲劳断裂所能承受的最大工作应力。 σr是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核，△Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。 二、过载持久值与过载损伤界 材料1抗过载能力好于材料2 过载持久值表现为S~N曲线的倾斜部分：倾斜度越高、越陡，