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第四章疲劳试验 1 引言材料构件在变动应力和应变的长期作用下 由于累积损伤而引起的断裂的现象 疲劳 疲劳属低应力循环延时断裂 不产生明显的塑性变形 呈现突然的脆断 疲劳断裂是一种非常危险的断裂 工程中研究疲劳的规律 机理 力学性能指标 影响因素等 就具有重要的意义 2 第一节疲劳的基本概念 一 变动载荷和循环应力1 变动载荷大小 方向或者大小和方向均随时间而变化 变化分为周期性 无规则性 相对应的应力 称为循环应力 P94 图5 1 2 循环应力 1 循环应力的特性平均应力 m 1 2 max min 应力幅 a 1 2 max min 应力循环对称系数 min max 2 循环应力的种类 P95 图5 2 对称 脉动 不对称循环应力 3 二 疲劳分类及特点1 分类 1 按试样的加载方式分为 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 复合疲劳等 2 按试验环境可分为 室温疲劳试验 低温疲劳试验 高温疲劳试验 热疲劳试验 腐蚀疲劳试验 接触疲劳试验 微动磨损疲劳试验等 3 按机件所受应力的大小和加载频率的高低可分为 高周疲劳 Nf 105周次 因断裂应力低 s 所以也叫低应力疲劳 低周疲劳 Nf 102 105 周次 由于断裂应力水平高 s 往往伴有塑性变形 故称为高应力疲劳 或应变疲劳 4 2 特点 1 断裂应力 b 甚至 s 2 出现脆性断裂 3 对材料的缺陷十分敏感 4 疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展 断裂 5 一 疲劳曲线1 对称循环疲劳曲线 N曲线 P96 图5 3 1 有水平段的疲劳曲线 钢 2 无水平段的疲劳曲线 有色金属 不锈钢等 三 疲劳曲线和疲劳极限 6 二 疲劳极限1 对称疲劳极限97循环载荷 r 1 1 1 1p 对称拉压 7 2 不对称循环疲劳极限 r 利用已知的对称循环疲劳极限 用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限 或者采用回归的公式求得 1 应力幅 a 平均应力 m图y轴上的边界点为0和 1x轴上的边界点为0和 b将 max分解成不同应力比r时的 a和 m 作图 运用时 已知r r a m 8 2 max m图y轴上的边界点为 1和 1 x轴则同前图 max b 利用不同的应力比r来作图 若为韧性材料 max 0 2 3 公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用 b 1 0 2和r 求得 r 9 第二节疲劳抗力指标及其测定 二 不同应力状态下的疲劳极限根据大量的实验结果 弯曲与拉压 扭转疲劳极限之间的关系 钢 1p 0 85 1 铸铁 1p 0 65 1铜及轻合金 1 0 55 1 铸铁 1 0 8 1 1 1p 1 一 疲劳极限的测定第一步采用升降法测定条件疲劳极限 第二步用成组法测定 一N曲线有限寿命段上各点的数据 第三步绘制 一N曲线 10 三 疲劳极限与静强度之间的关系钢 1p 0 23 s b 1 0 27 s b 铸铁 1p 0 4 b 1 0 45 b铝合金 1p b 6 7 5 MPa 1p b 6 7 5 MPa 11 第三节疲劳破坏机理 疲劳过程 裂纹萌生 亚稳扩展 失稳扩展 断裂 一 裂纹萌生及机理常将0 05 0 1mm的裂纹定为疲劳裂纹核 引起裂纹萌生的原因 应力集中 不均匀塑性形变 方式为 表面滑移带开裂 晶界或其他界面开裂 12 1 滑移带开裂 1 驻留滑移带在交变载荷作用下 永留或能再现的循环滑移带 称为驻留滑移带 通过位错的交滑移 使驻留滑移带加宽 2 挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中 还会向前或向后移动 形成挤出峰和挤入槽 循环过程中 峰 槽不断增加 增高 或变深 柯垂耳 赫尔模型 孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽 13 2 晶界处开裂晶界就是面缺陷 位错运动易发生塞积 出现应力集中 晶界开裂 3 相界面开裂两相 包括第二相 夹杂 间的结合力差 各相的形变速率不同 易在相结合处或弱相内出现开裂 只有首先达到临界尺寸的裂纹核 才能继续长大 14 二 疲劳裂纹扩展过程及机理1 裂纹扩展的两个阶段第一阶段沿主滑移系 以纯剪切方式向内扩展 扩展速率仅0 1nm数量级 第二阶段II区 晶界的阻碍作用 使扩展方向逐渐垂直于主应力方向 扩展速率 m级 可以穿晶扩展 形成疲劳条纹 疲劳辉纹 见书上图4 22 一条辉纹就是一次循环的结果 15 2 疲劳裂纹扩展模型 1 Laird塑性钝化模型裂纹不再扩展的过程 称为 塑性钝化 该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用 材料的强度越低 裂纹扩展越快 条带越宽 16 2 再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的 主裂纹前方是弹塑性交界点 三向拉应力区 可形成新裂纹核 主裂纹和裂纹核之间发生相向长大 桥接 使主裂纹向前扩展 强度高的材料 可形成解理裂纹 返回 17 三 疲劳宏观断口的特征断口拥有三个形貌不同的区域 疲劳源 疲劳区 瞬断区 随材质 应力状态的不同 三个区的大小和位置不同 P107图5 24 18 19 1 疲劳源裂纹的萌生地 裂纹处在亚稳扩展过程中 由于应力交变 断面摩擦而光亮 加工硬化 随应力状态及其大小的不同 可有一个或几个疲劳源 2 疲劳区 贝纹区 断面比较光滑 并分布有贝纹线 循环应力低 材料韧性好 疲劳区大 贝纹线细 明显 3 瞬断区一般在疲劳源的对侧 脆性材料为结晶状断口 韧性材料有放射状纹理 边缘为剪切唇 返回 20 第四节低周疲劳与热疲劳 疲劳寿命为102 105次的疲劳断裂 称为低周疲劳 一 低周疲劳的特点1 局部产生宏观变形 应力与应变之间呈非线性 总应变 t e p2 裂纹成核期短 有多个裂纹源 3 断口呈韧窝状 轮胎花样状 4 疲劳寿命取决于塑性应变幅 21 二 金属的循环硬化与循环软化1 定义与特点恒应变幅 塑性应变幅或总应变幅 循环加载过程中 材料的形变抗力不断增加 则称为循环硬化 反之为循环软化 应力 应变滞后回线 只有在应力循环达到一定周期后 才是闭合的 即 达到循环稳定态 循环应力 应变曲线高于单次应力 应变曲线 则是循环硬化 反之为循环软化 22 2 循环软化的危害使材料的形变抗力下降 导致工件产生过量的塑性变形而失效 3 原因决定于材料的初始状态 工件结构特性 应变幅 温度等 b s 1 4循环硬化 b s 1 2循环软化微观原因 位错的循环运动 相变强化 应力松驰 23 三 低周疲劳的应变 寿命曲线低周疲劳的 N曲线 数据离散 1 总应变幅 t N曲线 e 2 2Nf p 2 2Nf t 2 2Nf 两不同斜率的曲线叠放 必然会出现一个交点 提高强度 交点左移 提高塑性 交点右移 24 2 N关系式曼森公式断裂真实伸长率曼森 柯芬关系式 pNfz CZ C 材料常数Z 0 2 0 7 C 0 5ef 1 0ef用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命 返回 25 四 热疲劳1 基本概念在循环热应力和热应变作用下 产生的疲劳称为热疲劳 热疲劳属低周疲劳 周期短 明显塑性变形 由温度和机械应力叠加引起的疲劳 称为热机械疲劳 26 2