疲劳断裂机理和对策.ppt

疲劳断裂机理及对策,断裂力学基本概念 疲劳断裂机理 抗疲劳对策,脆性材料和韧性材料,脆性：指材料受到外力时，其内部容易产生裂纹并破坏的性质 韧性：塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 ，通过变形松弛应力，重新分布,弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态 损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程 断裂(Fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程,材料的几个基本概念,强度：构件抵抗破坏的能力 刚性：构件抵抗变形的能力,材料变形过程,以单向拉伸为例说明弹塑性变形过程与特点。金属变形分为弹性、塑性变形、破裂三个阶段。,材料特性指标,E-弹性模量（抗压） G-抗剪模量 u-泊松比,金属试样断裂形式,脆性材料尺度小,传统强度设计方法,传统强度设计方法通常以设定最大载荷下计算材料受力状态（拉伸，压缩或剪切），以材料屈服强度（或剪切强度）校核，并设定安全系数（如1.5，4）作为结构设计参数。,传统的强度校核设计弊端,断裂力学基本概念,构件断裂破坏原因主要为： 低应力条件下造成裂纹扩展直至断裂 应力腐蚀（应力和腐蚀作用）产生裂纹及扩张，造成构件强度不足 实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂,断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充，直至断裂过程为研究对象的学科,疲劳断裂过程，图片,疲劳断裂机理-裂纹,疲劳断裂机理-裂纹,疲劳断裂过程,疲劳断裂机理-缺陷形成,1 裂尖位错发射和断裂位错 2 晶体疲劳和晶界 3 脆性材料微小裂纹扩展 4 变形和损伤,疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹,疲劳断裂机理-微观缺陷,位错和晶界缺陷,晶界缺陷,晶体缺陷-位错,1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变,疲劳断裂机理-宏观缺陷,裂纹扩展,在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展-疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快,交变力（应变）和脉冲力（应变）,交变力,脉冲力,如循环受到拉/压力,如循环受到压力 *由某个正值减小为零的循环,*弯矩/扭曲也适用,抗疲劳对策,结构设计 材料选用 加工过程 后处理 构件加载状态,基于以上断裂分析，工程应用中为提高疲劳寿命，通过减少裂纹数量，裂纹大小程度及减缓裂纹扩展速度进行对策,抗疲劳对策-结构设计,避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧 减少尺寸梯度 原因： 可减缓应力梯度 有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷,优,优,抗疲劳对策-材料选用,适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料 原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，晶界裂纹少,抗疲劳对策-加工过程,避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加 切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量传递等措施，可减少加工过程的裂纹 热加工（热锻）及热处理过程的微小裂纹或晶体位错控制,抗疲劳对策- 加工后处理,减少或消除表面受力部位微小裂纹（抛光，涂覆等） 表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 或热变形处理改变晶体组织,抗疲劳对策-加载（使用）,减小交变应力或脉冲应力幅度，频率 如下的疲劳过程：疲劳源，裂纹萌生，早期扩展区，快速扩展区，剪切断裂区，最后断裂区，因此限