第5章材料的疲劳性能.ppt

1,第五章 材料的疲劳性能,5-1疲劳破坏的一般规律,5-2疲劳破坏的机理,5-3疲劳抗力指标,5-4影响材料及机件疲劳强度的因素,5-5热疲劳,2,机械零件总是处于不断运动状态,曲轴,连杆,3,疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。 变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值，可分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种,第一节 疲劳破坏的一般规律,一、疲劳破坏的变动应力,4,5,一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。 表征应力循环特征的参量有：,6,按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力有以下几种类型，如图5-2所示：,t,7,循环应力的类型：,8,疲劳破坏过程：材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。,二、疲劳破坏的概念和特点,夹杂物,纯铁,9,疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。,疲劳断裂断口具有较为明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的端口上会显示出疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区特征。,10,疲劳破坏特点： (1)是一种潜藏的突发性破坏 (2)低应力循环延时断裂 (3)对缺陷敏感 (4)可按不同方法分类,11,三、疲劳断口的宏观特征,典型疲劳断口具有3个特征区-疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。,12,产生于表面形状或内部冶金缺陷，为疲劳裂纹萌生的策源地 表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮 可以有多个,疲劳源：,13,疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域 断口光滑 存在贝纹线 凸侧指向裂纹扩展方向 近疲劳源区细密,疲劳区：,铁路货车切轴断裂图,14,15,失稳扩展形成的区域 断口比疲劳区粗糙 脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在,瞬断区：,16, 5-2 疲劳破坏的机理,一、金属材料疲劳破坏机理,1.疲劳裂纹的萌生 产生位置：材料薄弱区或高应力区 裂纹核大小：0.05mm-0.1mm 开裂方式：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。,疲劳裂纹的三种形式,17,18,机理：,在循环载荷的作用下，试样会在表面区域形成循环滑移带。该滑移带随着循环周次的增加而在表面不断加宽。在加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟。,19,Cottrel和Hull的侵入挤出模型,2.疲劳裂纹的扩展,第阶段：沿着最大切应力方向向内扩展。其中多数微裂纹并不继续扩展，成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可延伸几十m(即2-5个晶粒)长。,裂纹扩展极慢，扩展的总量很小，因此该阶段的断口很难辨析，不容易观察到形貌特征，只有某些擦伤的痕迹。,21,第阶段:沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇为止。,22,第阶段的裂纹扩展速率da/dN 随循环周次而。大部分循环周期内，约为10-510-2mm/次.在韧性材料断口可看到韧性断裂条带，脆性材料可见脆性条带。,疲劳条带示意图,疲劳条带,23,韧性疲劳条带形成过程,高塑性材料（Al、Ni等）在变动循环应力下，裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使裂纹向前延伸。,塑性钝化模型（L-S模型）,特点：,循环拉应力时，张开钝化 循环压应力时，闭合锐化 一个循环，形成一个疲劳韧带,24,F-R再生核模型 a)拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核 b)再生核裂纹与主裂纹桥接,再生核模型（F-R模型）,25,二、非金属材料疲劳破坏机理,1.陶瓷材料,2.高分子聚合物,3.复合材料疲劳破坏机理,特点：,疲劳损伤形式有多种。增强纤维有减缓裂纹扩展作用。 不发生瞬时破坏，常以弹性模量、共振频率下降为依据。 导热性差，温度易升高，对加载频率敏感。 界面易称为疲劳源，因此抗压缩能力差。 疲劳性能与纤维取向有关。,26,在纤维增强复合材料中疲劳裂纹的扩展模式,在纤维裂纹处产生剪切裂纹 (b)在基体裂纹前面的界面上的拉伸开裂 (c)强纤维侧的基体裂纹 (d)基体裂纹前面的韧性纤维产生裂纹 (e)基体裂纹前面的脆性纤维断裂,27, 5-3疲劳抗力指标,指标： 疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感度、疲劳裂纹扩展速率,28,一、疲劳测试方法,旋转弯曲疲劳试验机装置图,S-N曲线图,测试方法： 选择几个不同的循环应力1、 2 、3 测定从加载到试样断裂所需要的循环周次N1、N2、N3 得到-N曲线（或S-N曲线）,29,S-N曲线,特点： ，N;，N -1时，可经历无限次循环而不断裂。 -1定义为疲劳强度。,定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限 循环应力。,二、疲劳强度,B、H、A点分别对应r=-1，r=0, r=1,31,1.对称循环,2.不对称循环,-1, -1, -1p,tan = = 2 + = 2 1+,32,( 1 ) 2 + ( ) 2 =1,m,a,-1,b,Geber关系：, max = + = + 1 1 ( ) 2 , m = = 1 1 ( ) 2 ,3.不同应力状态下的疲劳极限,(1)经验关系式： 钢：-1p = 0.85-1 铸铁：-1p = 0.65-1 铜及轻合金：-1 = 0.55-1 铸铁：-1 = 0.80-1 (2)同种材料： -1-1p-1,原因： 弯曲时，试样表面应力最大，只有表面层才产生疲劳损伤，而拉压时，截面应力分布均匀，整个截面都可能疲劳损伤；扭转时切应力大，易使材料发生滑移，产生疲劳损伤,4.疲劳极限与静强度的关系,试验表明，金属材料的b越大，其-1也越大。 对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。b较低时，可近似写成-1=0.5b；b较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展所致。,钢的疲劳强度和抗拉强度的关系,35,1.过载持久值 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值，也称为有限疲劳寿命。 过载持久值表征了材料对过载荷疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件下能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。,三、过载持久值,36,2.过载损伤界 实际上，机件往往预先受短期过载，而以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是否产生影响，取决于过载应力及过载周次。材料在过载应力水平下只有运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低，造成过载损伤。 把在每个过载应力下运行能引起 损伤的最少循环周次连接起来就 得到该材料的过载损伤界。,37,实际机件常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹等结构，其作用类似于缺口，造成该区域的应力集中，因而会缩短机件疲劳寿命，降低材料疲劳强度。 材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度qf表征，即 qf=（Kf-1）/（Kt-1） 式中：Kt为理论应力集中系数，Kf为疲劳缺口系数。,四、疲劳缺口敏感度,38,一般来说，qf随材料强度增高而增大。 结构钢： qf = 0.6-0.8； 球铁： qf = 0.11-0.25； 灰铸铁： qf = 0-0.05。,39,五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,疲劳扩展速率：疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。该阶段是疲劳过程的第二阶段，是材料寿命的主要组成部分。,试样测试：三点弯曲切口、中心裂纹、紧凑拉伸,Three Point Bending,Central Crack Tension,Compact Tension,40,先预制疲劳裂纹a0，随后在固定应力比r和应力范围条件下循环加载记录裂纹长度a随N循环扩展增长情况，便可作出疲劳裂纹扩展曲线：a-N曲线。 当加载循环周次达到Np时，a长大到临界裂纹尺寸ac，裂纹扩展速率增大到无限大，裂纹失稳扩展，最终断裂。,疲劳裂纹扩展速率：da/dN,应力范围越大，则裂纹扩展越快， Np、ac越小。,试验步骤,41,材料的疲劳裂纹扩展速率与和a有关。,将应力范围与a复合定义为应力强度因子范围K ：,K：控制裂纹扩展的复合力学参量,（1）将a-N曲线上各点的dadN 值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(K)公式将相应各点的K值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得 lgda/dN-lgK曲线。,42,lg(da/dN)-lgK曲线： I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段: da/dN = 10-810-6 mm/周次； 从Kth开始，K， da/dN快速提高，但K范围较小，裂纹扩展有限。,区是疲劳裂纹扩展的主要阶段，占据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，da/dN = 10-510-2 mm/周次，K变化范围大，扩展寿命长。 K 与裂纹扩展速率呈幂指函数关系：Paris公式： da/dN = C(K)n。 区是疲劳裂纹扩展的最后阶段， da/dN 很大， 随K的升高很快提高，只扩展很少周次便导致材料断裂。,43,Kth是疲劳裂纹不扩展（da/dN=0）的K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学性能指标 Kth值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料越好。,Kth与疲劳极限-1相似，都是表示无限寿命的疲劳性能，也都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素的影响。 但是-1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。,lgda/dN-lgK曲线,44,根据Kth的定义可以建立裂纹不发生疲劳断裂的校核公式：,若已知裂纹件的裂纹尺寸a和材料的疲劳裂纹门槛值Kth，则可求得该件无限疲劳寿命的承载能力：,若已知裂纹件的工作载荷和材料的疲劳裂纹门槛值Kth，则可求得裂纹的允许尺寸：,实验时，常规定在平面应变条件下da/dN = 10-610-7mm/周次所对应K的作为Kth，称为工程疲劳裂纹门槛值。,45,在疲劳裂纹扩展区，KI 与裂纹扩展 速率之间呈幂指函数关系：,Paris公式可以描述各种材料和各种试验条件下的疲劳裂纹扩展，为疲劳机件的设计或失效提供有效的寿命估算方法，但其只适用于低应力、低扩展速率和高周疲劳场合。,46,疲劳剩余寿命：初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。,无损探伤确定a0、形状、位置、取向，确定K； 根据KC及确定ac； 根据疲劳裂纹扩展速率表达式，通过积分的方法计算从a0到ac所需的循环周次N。,47,第四节 影响材料及机件疲劳强度的因素,一、工作条件的影响,1.载荷条件 （1）应力状态、平均应力、应力比 （2）过载损伤 （3）次载锻炼 （4）间歇效应 （5）载荷频率,2.温度,3.腐蚀介质,48,二、表面状态及尺寸的影响,1.表面状态,2.尺寸因素,在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降的现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数来表示,机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，缺口敏感性越高，材料的疲劳强度降得越低。对高强材料加工时候，尤其要注意表面处理。,49,三、表面强化及残余应力的影响,机理：提高机件表面塑变抗力，降低表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，有效提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度,1.表面喷丸及滚压,50,2.表面热处理和化学热处理,3.复合强化,渗氮+表面淬火,渗碳+喷丸,表面淬火+喷丸,