第2章材料的疲劳强度.ppt

第2章 材料的疲劳强度,2.1 基本概念,疲劳 材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定循环次数后形成裂纹或发生断裂的过程。 交变载荷 指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。 疲劳寿命 零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，用N表示。,疲劳破坏的特征 应力水平低。交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限。 脆性断裂。不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表现为没有明显塑性变形的突然断裂。 局部性。局部的疲劳破坏一般不牵扯到整个结构。可以采用局部设计或局部工艺措施增加疲劳寿命。 疲劳过程是一个损伤累积的过程。（裂纹形成、扩展、断裂） 疲劳破坏断口有自己明显的特征。,更具突然性，更危险,寿命可计算N=N0+Np,2.2 金属疲劳破坏机制,金属疲劳破坏通常可分为三个阶段： 1.疲劳裂纹萌生。（由局部塑性应变集中引起） 裂纹萌生方式有三种: 滑移带开裂 晶界和孪晶界开裂 夹杂物或第二相与基体的界面开裂 裂纹萌生一般发生在金属表面的原因 2.疲劳裂纹扩展 3.失稳断裂,裂纹萌生方式之一:滑移带开裂,是最常见的疲劳裂纹萌生方式,也是三种萌生方式中最基本的一种. 对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移开裂. 滑移开裂的过程: 循环载荷-薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变-晶粒产生滑移(不可恢复)-金属表面产生滑移线-滑移线随循环次数增加汇集成表面滑移带-发展成驻留滑移带-形成裂纹,裂纹萌生方式之二:晶界和孪晶界开裂,对于密排六方晶系,因滑移较少,当滑移困难时,孪晶变形较为常见.例如:铋,锆,锑,铜,锌,金,铁等金属. 常温下,裂纹多为穿晶.高温下,一般为晶间、晶界表面相接处出现裂纹. 晶界结合力比晶粒内部弱,在低于晶内滑移应力下,在晶界上萌生裂纹.,裂纹萌生方式之三:夹杂物或第二相与基体的界面开裂,在高强度合金中,粗大的夹杂物和其他第二相质点的存在,对裂纹萌生起重要作用. 合金材料的屈服强度一般很高,只有在很高的应力幅下,才能产生滑移带.但是由于在夹杂物或第二项质点处产生了很高的应力集中,从而在较低的名义应力下也能出现局部的塑性变形,这样便导致在夹杂物和基体界面上萌生裂纹,或由于夹杂物成脆性第2质点的断裂导致裂纹萌生.,疲劳裂纹经常在金属表面发生?,在实际零件中,表面应力往往比内部高 内部晶粒的四周,完全为其他晶粒所包围,而表面晶粒所受的约束少,因而比内部晶粒易于滑移. 表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触,有腐蚀作用. 表面上往往留有加工痕迹或划伤,使其疲劳强度降低. 当零件表面经强化处理后,表面强度比内部高时,疲劳裂纹则一般在硬化层下面.,疲劳裂纹扩展,阶段 裂纹首先沿剪应力最大的活性面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应力轴线成45度.(这个阶段扩展缓慢) 滑移带上往往萌生有多条裂纹,绝大多数很早就停止扩展.随着循环载荷的继续继续,少数裂纹互相连接超过几十微米长度.这时的裂纹很少,断口形貌研究困难.,阶段 由于晶粒滑移困难,裂纹扩展方向由开始与外力方向成45度逐渐转向与拉伸应力成90度,这种拉伸型式的裂纹扩展,称为阶段裂纹扩。 从阶段向阶段转变的裂纹长度，决定于材料和应力幅。一般不超过十分之几毫米。 阶段裂纹扩展速率比阶段快，常常有“疲劳条带”的显微特征（叫疲劳条纹）。,疲劳破坏阶段之三: 失稳断裂,失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段。 瞬间发生。 失稳断裂是损伤积累到临界值时的一种表现,裂纹扩展到临界尺寸,裂纹尖端的应力强度因子达到临界值的结果。 失稳断裂的机制与静载断裂相同,只是由于两者的加载速率不同,因此其临界应力强度因子值与静载下的断裂塑性值有差别。,2.3 疲劳破坏断口分析,宏观分析(全局性初步分析) 用肉眼和25倍以下的放大镜分析断口 微观分析 光学显微镜、电子显微镜研究断口 金相组织、化学成分和机械性能的检查,断口的宏观分析,典型疲劳破坏断口按照断裂过程分成三个区域。 疲劳源很小，宏观上看不到，放大500倍以上可以看出明显的疲劳裂纹，可以判断宏观缺陷的性质和事故发生的原因。 疲劳裂纹扩展区为细晶粒，深色、平滑、海滩状。 快速断裂区为粗晶粒，凹凸不平、白色、撕裂或台阶状。,断口的微观分析,微观分析的目的：了解金属疲劳破坏过程的本质从金属微观组织研究疲劳机理。 疲劳裂纹的形成 （1）裂纹一般发生在表面。在应力小于屈服极限时，疲劳试样表面出现滑移带-随着N增加，滑移线变粗变宽-当应力大于疲劳极限时，出现“驻留滑移线”-形成微观裂纹。 （2）结构受交变载荷作用-试件挤出挤入-挤出滑移再严重-金属内部产生孔洞-出现裂纹。 （3）塑性变形积累-出现错位（晶体中的特殊缺陷）-出现疲劳裂纹。 （4）表面缺陷（气孔、夹渣、第2相质点）-存在尖锐缺口-疲劳裂纹产生。,疲劳裂纹的形貌 第1阶段疲劳裂纹扩展，断口光滑，具有一定的结晶性质，无其他明显特征。 第2阶段疲劳裂纹扩展区有4个特征： （1）疲劳区宏观上平坦光滑，微观上仍凹凸不平。每个断口由若干凹凸不平的小片段连接而成，小片段结合处形成台阶。 （2）具有疲劳条纹。包括塑性疲劳条纹（常见）和脆性疲劳条纹（较少）。 （3）轮胎压痕和脊骨压痕特征。由于相匹配断口的反复挤压、相互嵌入与脱离造成的。 （4）在疲劳裂纹扩展时，还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。,构件断口分析,现场调查 检查工作条件、运行情况、周围环境等 收集碎片，保护断口 了解破裂部分的材料、牌号、加工工艺 断口宏观分析 净化、清洗断口，分析断口形貌，找到裂纹源，初步分析破坏原因 断口微观分析,2.4 疲劳试验试样及其制备,试样类型(P1619) 弯曲试样 轴向加载试样 扭转试样 试样制备（P1921） 取样/机械加工/热处理/测量、探伤与存储,2.5 材料的S-N曲线,循环应力,规律性变幅循环应力,随机循环应力,应力循环特征的表示,应力循环基本参数,典型的应力循环特征,材料的S-N曲线,反映材料基本疲劳强度特性的曲线为S-N曲线 ，用于估算疲劳寿命和进行疲劳设计。 S-N曲线是用标准小试样在疲劳试验机上得到的。 定义：表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S-N曲线，简称为：S-N曲线. 这种曲线通常都是表示中值疲劳寿命与外加应力间的关系,所以也叫中值S-N曲线,又称为沃勒曲线.,SN曲线,S-N曲线的绘制,S-N曲线绘制 标准试件(812件) 标准试验机(拉压扭转弯曲等试验机) 一定的平均应力 ,施加不同的应力幅,测出试件断裂时的循环次数N 以 (或 )为纵坐标,N为横坐标,描点、连线,得到相当于 (或R)下的S-N曲线,对任何一条S-N曲线,应明确以下内容: 材料牌号;种类(棒材板材);循环比R;有无应力集中,Kt值;试验机加载频率环境. 坐标系.横坐标为对数寿命;纵坐标为应力,对数坐标或笛卡儿坐标. 试验点.分布在曲线两侧,一般用50%的中值寿命S-N曲线.,S-N曲线的形状 当N较大时,S-N曲线近似为水平直线,对应的应力为持久极限 (一般钢材及钛合金),图2-18a. 对铝合金及有色金属,当N达到107时仍有下降趋势,一般规定较高的循环次数,如2*107对应的应力为持久极限,图2-18b.,S-N曲线的简化 一般简化为两条直线： 左支 在双对数坐标中一般是直线； 在单对数坐标中一般不为直线。但因直线使用方便，一般将其简化为直线。 右支 水平直线或斜直线,S-N曲线的特殊形状 断开由于裂纹尖端由平面应力状态转变为平面应变状态。（c图） 转折由穿晶破坏转变为晶间破坏。（d图）,S-N曲线的表达式 左支，N=104106 幂函数公式 整条S-N曲线,其中：m，c为材料常数,S-N曲线对应的疲劳破坏阶段 低周循环疲劳段（LCF）N107,S-N曲线的测定方法（左支）,单点法 在一个应力水平下只测一根式样，然后将测得的点连成一条光滑的曲线，得到S-N曲线。 精确度差，一般只用来测定疲劳极限。 成组法 应力水平取46级，一般在0.6 与 之间选取 每一级应力水平下，用48根试样。 数据处理方法（用数理统计的方法进行） 绘制曲线的方法 逐点描迹法 直线拟合法,2.6 材料的疲劳极限,一. 材料疲劳极限的定义,疲劳极限 疲劳极限是疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度。 S-N曲线水平段对应的最大应力称为材料的疲劳极限。在此应力下，试样可以承受无限次循环而永不破坏。结构钢S-N曲线的转折点一般在107以前，因此只要经过107次循环而不破坏，就可认为试样可以承受无限次循环而不破坏。 条件疲劳极限 在S-N曲线上，与非水平段对应的最大应力。 对有色金属和腐蚀疲劳，S-N曲线没有水平段，不存在真正的疲劳极限。 该类材料在经过107108次循环后，S-N曲线趋于平坦，一般就以107或108次循环失效时的最大应力作为条件疲劳极限。 疲劳极限的表示方法 对称弯曲疲劳极限：-1；对称拉压疲劳极限： -1t；对称扭转疲劳极限：t-1 其中下标“-1”表示应力比R=-1 因对称弯曲实验最方便，一般以对称弯曲疲劳极限来表示材料的基本疲劳性能。 对称弯曲疲劳极限一般与旋转弯曲下的疲劳极限接近，一般不加区别。,二. 材料疲劳极限的测定方法,材料的对称弯曲疲劳极限-1一般用610的标准试样，由旋转弯曲疲劳实验得到。 钢件一般进行107次循环; 有色金属进行107或108次循环。 观测疲劳极限的方法： 常规（单点）法 成组试验法 升降法（小子样升降法） 升降法（大子样升降法） 步进法,常规（单点）试验法,在每个应力水平下只试验一个试样。（试样有限，任务紧迫、节省经费） 常规疲劳试验一般准备10根试样(1根作静态试验、78根作疲劳试验、其余作为备品)。 试验中需要将应力水平分级（7级以上） 施加不同的载荷，得到不同类型的S-N曲线。（弯曲、扭转、拉压） 例：弯曲载荷下常规（单点）试验法的试验步骤： 根据材料的强度极限sb估算一个近似的材料疲劳极限-1 = 0.44b 从比估算的疲劳极限s-1高一定的百分数开始，进行疲劳试验。 如对b800MPa的钢材，第一根试样取1=1.2-1 = 0.52b 其中1中的下标1表示第1根式样，其余类推 根据前一根试样的疲劳寿命，逐步改变应力做下一根试样的试验 继续进行试验，直到有一根试样试验到试验基数后不发生断裂为止，则不断裂试样与相临断裂试样的平均值为疲劳极限 疲劳极限与应力极差的选择关系 -1 400MPa（应力级差15MPa）;,成组试验法,疲劳寿命离散性大，常规（单点）法测定S-N曲线精度差。 对于疲劳可靠性设计，需要给定P-S-N曲线，在寿命小于107时，需要进行成组试验（即在每个应力水平上用一组试样） 子样容量的选择与试验数据的处理（参考相关书籍）,小子样升降法,由于疲劳性能的分散性，用常规试验法测出的疲劳极限值不精确，要想精确确定疲劳极限，必须使用升降法。其中小子样升降法比大子样升降法经济，其试验步骤如下： 估算疲劳极限-1 （ -1 = 0.5sb），并估算应力极差-1 （ -1 = 4%6%-1） 第一个试样在略高于-1应力下试验。 若在循环基数N0前破坏，下一根试样的试验降低一个极差； 若在循环基数N0后破坏，下一根试样的试验增加一个极差； 由实验结果得到升降图 进行数据处理,找对子，每两个升、降点配为一对，出现第一对趋势相反的结果时，前面的数据舍弃。 将所有对子的数据和未被舍弃的数据进行平均，作为疲劳极限的精确值。 其中，第一对数据的平均值就是常规疲劳试验法的疲劳极限值，如（3和4点）。,大子样升降法,大子样升降法的试验方法与小子样升降法完全相同，差别在于数据处理，大子样法不要求配成对子。采用如下的公式进行处理：,s为疲劳极限的平均值；s为疲劳极限的标准差； s0为最低试验应力水平（未破坏试样小于破坏试样数）； s0为最低破坏应力水平（未破坏试样大于破坏试样数）； s为应力极差；j为应力水平序号；fj为第j级应力水平下的最少试样件数。,（大子样升降法的试样件数不应少于30）,步进法,步进法是一种改进的升降法。（库德里亚采夫提出） 试样数为升降法的一半，但试验时间比升降法长 适用于试样数量不足或特别昂贵的大型试件，但只适用于低于疲劳极限的应力下，不产生断裂和损伤的材料。 试样数要求3件以上 试验步骤： 第一根试样在略低于疲劳极限估计值的应力下进行试验，如果达到预定的试验基数后不破坏，则提高一个应力极差（=10MPa）继续进行；当达到试验基数后仍不破坏，则再提高一个应力极差继续试验；按此规则进行直到试件破坏。 第二根试样按上述方法逐级提高应力进行试验，但第一级应力要比第一根试样的破坏应力低一级。 以后的试样，都在比前几根试样的最低破坏应力低一级的应力水平下开始试验，再按前面的方法逐级提高应力直到试样破坏。,三. 材料疲劳极限与强度极限及其他机械性能的关系,在常温和空气介质下，材料的疲劳极限与强度极限之间有比较好的相关性，因此在没有现成试验数据和没有条件进行试验时，可以用近似方法估算材料的疲劳极限。 碳钢与合金钢的对称弯曲疲劳极限，可以表示成如下公式,部分代表性的经验公式 前苏联学者茹科夫的经验公式：当sb1400MPa的碳钢、合金钢： 上海材料研究所的经验公式：,对称扭转疲劳极限与对称弯曲疲劳极限之间存在稳定的比例关系。（茹科夫） 对于碳钢与合金钢，当b1200MPa时，有 美国现代疲劳分析基础推荐的结果 对于布氏硬度HB500的黑色金属，有 对高强度钢，有 其他还有大量的参考结论（略）,2.7 疲劳寿命的正态分布,2.8 材料的P-S-N曲线,P-S-N曲线的定义 将各级应力水平下疲劳寿命分布曲线上可靠度相等的点用曲线连接，得到给定可靠度的一组S-N曲线，称为P-S-N曲线。,图中每一条曲线代表某一可靠度下的应力-寿命关系： AB为中值寿命（可靠度50%），即常规疲劳设计中给出的S-N曲线 CD是可靠度为99.9%的P-S-N曲线，使用期内零件不发生破坏的概率为99.9%。 GH是可靠度为90%的P-S-N曲线 EF是可靠度为1%的P-S-N曲线，不能用于疲劳设计 设计中应根据可靠性和经济性的要求来选择所采用的曲线。一般情况下采用S-N曲线进行设计。 P-S-N曲线代表了更全面的应力寿命关系，比S-N曲线有更广泛的用途。,P-S-N曲线的测定方法 P-S-N曲线的测定可采用单点法和成组法。与成组法测定S-N曲线相同，一般选取45级应力水平，每种应力水平下试验一组试样（不少于6个） 用成组法测定材料的P-S-N曲线的步骤 准备若干根标准试件（30根左右） 确定试验应力水平（45级） 确定每一应力水平上的试件数（68件） 进行试验 数据处理 求 分析有无异常件，若有，将其