《工程材料物理性能（第2版）》 第05章 金属的疲劳.ppt

第五章 金属的疲劳 在变动载荷下工作的工件（如曲轴 、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片 及桥梁等），其失效形式主要是疲 劳断裂。据统计，疲劳破坏在整个 失效中约占80%左右 . . n第一节 金属疲劳现象及特点 n1.变动载荷和循环应力 n（1）变动载荷（引起疲劳破坏的外力） ：是指载荷大小，甚至方向均随时间变 化的载荷，其在单位面积上的平均值为 变动应力（也称循环应力）和无规随机 变动应力。 n（2）循环应力 n 循环应力可用以下参数来表示： n最大应力max n最小应力mix n平均应力m nm=1/2( max+mix) n应力幅a= 1/2( max-mix) n应力比r= mix/ max n（3）循环应力的种类 n对称交变应力： m=0，r=-1 n脉动应力 ： m= a 0, r=0 n（齿轮、齿根的循环应力属于此情况） n轴承应力为循环脉动压应力， n m= a 0, r=- n波动应力：m a，0 r 1 n（发动机缸盖螺栓的循环应力） n不对称交变应力： 0 r 1。 n（发动机连杆的循环应力） n n实际生产中的变动应力往往是随机变动（如汽 车、拖拉机和飞机的零件，在运行工作时因道 路或云层的变化，其循环应力呈随机变化）。 n2.疲劳现象及特点 n（1）分类：金属机件或构件在变动载荷和应 变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现 象称为疲劳。 n按应力状态不同：分弯曲疲劳、扭转疲劳、拉 压疲劳及复合疲劳； n按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲 劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。 n按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（ Nf 10-5 ， s，也称低应力疲劳）； 低周疲劳（ Nf=102105， s，有塑性 应变发生。也称高应力疲劳 n2.特点： n（1）疲劳是低应力循环延时断裂，是具 有寿命的断裂。 n（2）疲劳是脆性断裂。 n（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺 陷）十分敏感。 n（4）疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程 ，但因应力水平低，故有明显的裂纹萌 生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上 有明显的疲劳源和疲劳扩展区，这是疲 劳断裂的主要断口特征。 n3.典型的疲劳宏观断口特征 n（三个不同的形貌区域） n（1）疲劳源：在断口形貌上为光亮度最 大的区域。原因：裂纹扩展速率最低； 扩展循环次数最多；断口不断摩擦挤压 。 n（2）疲劳区：裂纹亚稳扩展形成的区域 。在断口形貌上贝纹线为最主要的特征 。 n（3）瞬断区：裂纹最后失稳扩展形成的 区域。断口形貌：脆性材料为结晶状； 韧性材料中心区为放射状或人字纹，边 缘为剪切唇。 n第三节 疲劳曲线及疲劳抗力 n1.疲劳曲线 n（作图p122） n2.疲劳极限 n 材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断 裂的强度指标； n 条件疲劳极限是材料抵抗 规定循环周 次而不疲劳断裂的强度指标。（二者均 称疲劳强度）。 n（1）对称循环疲劳极限 n对称循环载荷有：对称弯曲-1；对称 扭转-1 ；对称拉压-1P等。 -1 为 最常见的对称循环疲劳极限。 n测试方法：7-10个试样；从0.7 b至 0.4b选择几个应力水平；测出各试样 的疲劳断裂周次N；以N=107周次作为无 限寿命的循环基数标定-1 n2）不对称循环疲劳极限 n图5-9 为各种不对称疲劳曲线及疲劳极限 。因实验条件的限制，很难得到。 n一般常用工程作图法，由疲劳图求得。 n根据作图方法不同，有两种疲劳图 na应力幅- m平均应力疲劳图 n根据：m=1/2( max+mix) n应力幅a= 1/2( max-mix) n应力比r= mix/ max可知： nA点： m=0, r= -1, a= -1; nC点： a= 0;说明max=mix， 应力大小 不改变，是静应力。 r= 1, nm=1/2( max+mix)= max= b nABC曲线上其余各点的纵横坐标各代表每 一r下，疲劳极限的m和 a, n r = a +m。 n 在ABC曲线上任取一点B与原点连接， 其几何关系为tg a = a /m nm=1/2( max+mix) na= 1/2( max-mix), n得出： tg a = a /m n= max(1-mix max) max(1+mix max) =1-r/1+r n因此，知道r后，将其代入上述公式求得 tg a和 a，而后从坐标原点O引直线，令 其和横坐标的夹角等于a 值，该直线与 曲线ABC相交的交点B即所求的点，其纵 横坐标之和即为相应r的疲劳极限， n rB = aB +mB n max（mix）- m平均应力疲劳图 n（略） n（3）不同应力状态下的疲劳极限 n钢：-1P = 0.85-1 n铸铁：-1P = 0.65-1 n钢及轻合金： -1 = 0.55-1 n铸铁： -1 = 0.80-1 上述公式使用时在注意它们的使用范围。 n对称弯曲疲劳极限-1； n对称扭转疲劳极限-1 ； n对称拉压疲劳极限-1P n（4）疲劳极限与静强度间的关系 n结构钢： -1P=0.23（ S+ b) n -1 =0.27（ S+ b) n铸 铁: -1P=0.4b n -1=0.45b n铝合金:-1P=1/6b+7.5MPa n -1=1/6b-7.5MPa n青 铜: -1=0.21b n三 过载持久值及过载损伤界 n一般认为按 1确定许用应力是安全的，但 实际情况下，机件不可避免要承受过载载荷。 为此需研究过载持久值及过载损伤界。 n1.过载持久值：在高于疲劳极限的应力下运行 时，发生疲劳断裂的应力循环周次。也称为有 限疲劳寿命。根据疲劳曲线的倾斜部分可以确 定。疲劳曲线的倾斜部分的任一点相对应的应 力称为耐久极限。 n2.过载损伤界 n（1）过载损伤： n（2）过载损伤界由实验确定： n方法：先在高于 1的应力下运转一定周次 后，再在 1下继续运转并测出疲劳寿命， 如果寿命不缩短，则： n如果寿命不缩短，则： n反复实验得出图5-14P126 n n四 疲劳缺口敏感度 n疲劳缺口敏感度qf来评定： nqf=kf-1/kt-1 nKt-理论应力集中系数，可从有关手册 中查找； nKf-= -1 /1N n疲劳缺口系数大于1，具体数值与缺口几 何形状及材料等因素相关。 n第三节 疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值 n前面所述的疲劳强度是用小试样测定的，未能 反映裂纹的亚稳扩展问题，不能全面体现实际 机件的结构疲劳强度，疲劳裂纹扩展性能是对 疲劳强度的重要补充。 n一。疲劳裂纹扩展曲线 n用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹扩展情况 ，在疲劳试验机上测定疲劳扩展曲线。一般常 用三点弯曲试样（TPB),中心裂纹试样（CCT), 或紧凑拉伸试样（CD),先预制疲劳裂纹，随后 在试验机上，在固定应力比r 和应力幅条件 下，观察裂纹长度随N循环扩展情况。裂纹 的长度可用显微镜法或电位法测量，每循环 一定周次Ni ,测量i，直到断裂为止。 n由图可见，在一定循环应力作用下，疲劳裂纹 扩展时其长度是不断增长的。如果用-N曲线 的斜率d dN表示疲劳裂纹扩展速率，则扩展 速率在扩展中也是不断增加的，当加载循环 周次达到Np是， 长大到临界裂纹尺寸c， n d dN增大到无限在，裂纹失稳扩展而导致试 样最后断裂。 n从-N曲线可以看出，材料的疲劳裂纹扩展速 率不仅与应力大小有关，而且与当时的裂纹 尺寸有关。 n应用断裂力学裂纹尖端应力强度因子的概念， 将 和复合为应力强度因子范围 k。 n k=Y ，从而建立由 k起控制作用的 nd dN_ k曲线 n区是疲劳裂纹的初始扩展阶段， n d dN很小，约10-810-6mm 周次； n区是疲劳裂纹的扩展的主要阶段，占 亚稳扩展的绝大部分，是决定疲劳裂纹 扩展寿命的主要组成部分。 d dN增大 ，约10-510-2mm 周次； n区是疲劳裂纹的扩展最后阶段， n d dN很大，只需很少周次即会导致材 料失稳断裂，因此该区所占寿命不长。 n二 疲劳裂纹扩展门槛值 n当 k kth时， d dN =0，表示裂纹不扩 展，因此 kth是疲劳裂纹不扩展的 k临界值 ，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 n kth表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能 ，其值越大，阻止裂纹开始疲劳扩展的能力越 大。 n单位与K相同，MN.m-3/2可MPa.m-1/2 n kth与疲劳极限强度-1相似，都是表示无限 寿命的疲劳性能，不同点是-1 是光滑试样， 用于传统的疲劳强度设计和校核； kth是裂 纹试样，用于裂纹件的设计与校核。 n实际金属的 kth很小，约5-10% kIC， n如钢 kth 9MPa.m-1/2；铝合金 kth 4MPa.m-1/2 n第六节 低周疲劳 n一 ： 低周疲劳 n1.定义：循环应力较高，超过材料的屈 服极限而发生塑性应变，也称塑性或应 变疲劳。疲劳寿命为 n2. 低周疲劳的特点 n（1）应力-应变之间呈循环回线；总应 变幅t ，塑性应变幅p； 图5-45 n（2）不能用N曲线，改用t曲 线；图5-46 n（3）断口形貌与低周疲劳断口不同； n（4）低周疲劳寿命决定一塑性应变幅， 高周疲劳寿命决定于应力幅与应力场强 度因子。 n3.低周疲劳的循环硬化与循环软化 n(1)循环硬化：金属材料在恒定的应变幅循环作 用下，随循环周次增加其应力不断增加。 n(2)循环软化：金属材料在恒定的应变幅循环作 用下，随循环周次增加其应力不断减小。 n一般状态下： b/S1.4时表现为循环硬 化； b/S小于1.2时表现为循环软化 n4.低周疲劳的应变-寿命（-N）曲线 n（1） t-N曲线 nt= e + p n从图中可见，高、低周疲劳的主要区别是e 、p的相对比例不同。在高周疲劳范围内， 弹性应变幅e 起主导作用，在低周疲劳范 围内，塑性应变幅p 起主导作用。两条直 线的斜率不同，故存在一个交点。交点对应的 寿命称过渡寿命。过渡寿命与材料性能有关， 一般是提高强度使交点左移，而提高塑性使交 点右移。高强度材料过渡寿命可能少至10次， 低强度材料则可能超过 n(2) p-Nf曲线 n二 热疲劳 n定义：机件在由温度循环变化时产生的循环热 应力及热应变作用下，发生的疲劳。若温度循 环各机械应力循环叠加所引起的疲劳则为热机 械疲劳。 n热疲劳抗力：通常以一定温度下产生一定尺寸 疲劳裂纹的循环次数或在规定循环次数下产生 疲劳裂纹的长度来表示。 n热疲劳后抗力一般与材料的热传导、比热容等 热学性质有关，而且与弹性模量、屈服强度等 力学性能及密度、几何因素等有关。一般脆性 材料导热性差，热应力得不到应有的塑性松弛 ，故热疲劳危险性大。提高热疲劳抗力的主要 途径是：减少线膨胀系数；提高高温强度；减 少应力、应变集中；提高局部塑性，以迅速消 除应力集中。 n三 冲击疲劳 n定义：机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂 。 n冲击疲劳