第五章 金属的疲劳.ppt

材料性能学 第五章金属的疲劳 主要内容 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 金属疲劳现象及特点 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的主要因素 低周疲劳 疲劳与彗星号客机 机械零件失效中有80 以上属于疲劳破坏 最大应力 b s 不产生明显的塑性变形 呈现脆性的突然断裂 疲劳机件在变动应力和应变长期作用下 由于累积损伤而引起的断裂现象 5 1金属疲劳现象及特点 1 变动载荷变动载荷变动应力规则周期变动应力 循环应力 无规则随机变动应力 一 变动载荷和循环应力 2 循环应力 最大应力 max最小应力 min平均应力 m 1 2 max min 应力幅 a 1 2 max min 应力比 r min max 循环应力的种类 对称交变应力 m 0 r 1脉动应力 m a 0 r 0or m a a 0 r 1不对称交变应力 r 0 二 疲劳现象及特点 应力状态 弯曲疲劳 扭转疲劳 挤压疲劳 复合疲劳环境及接触情况 大气疲劳 腐蚀疲劳 高温疲劳 热疲劳 接触疲劳断裂寿命和应力高低 高周疲劳 低周疲劳高周疲劳 断裂寿命较长 Nf 105周次 断裂应力水平较低 s 也称低应力疲劳 低周疲劳 断裂寿命较短 Nf 102 105 周次 断裂应力水平较高 s 往往有塑性应变出现 称高应力疲劳或应变疲劳 1 分类 2 特点 1 疲劳是低应力循环延时断裂 即具有寿命的断裂 2 疲劳是潜在的突发性脆性断裂 3 疲劳对缺陷 缺口 裂纹及组织缺陷 十分敏感 4 疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生 扩展和断裂 三 疲劳宏观断口特征 断口有三个区域 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 1 疲劳源 机件表面 缺陷光亮度最大 断面不断摩擦挤压所致加工硬化随应力状态及应力大小的不同 可有一个或几个源区的光亮度越大 相邻疲劳区越大 贝纹线越多 疲劳源越先产生 2 疲劳区 疲劳裂纹亚稳扩展形成的断口区域宏观特征 断口比较光滑并分布有贝纹线 或海滩花样 贝纹线是疲劳区的最大特征 以疲劳源为圆心的平行弧线 由载荷变动引起的 3 瞬断区 疲劳源的对侧 裂纹最后失稳快速扩展所形成随着 不断循环 a不断长大 a ac时 KI KIC 导致机件最后瞬时断裂 宏观特征 断口粗糙 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 疲劳 循环应力 高周疲劳低周疲劳 断口特征 疲劳源疲劳区瞬断区 目录 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 1 S N曲线纵坐标 maxor a横坐标 断裂循环周次意义反映疲劳应力与疲劳寿命的关系 一 疲劳曲线和对称循环疲劳极限 1 疲劳曲线和疲劳极限 2 疲劳极限 r 材料可以经无限次应力循环而不断裂的最大应力 3 类型无限寿命 结构钢 球铁不可标无限寿命 高强钢 有色金属 4 疲劳断裂应力判据 1 对称应力 r 非对称应力 107周次 N0高强钢和铝合金取108 2 不同应力状态下的疲劳极限 对称弯曲疲劳极限 1对称扭转疲劳极限 1对称拉压疲劳极限 1p 1 一般材料 1 1p 1 2 具体数值关系钢 1p 0 85 1铸铁 1p 0 65 1 1 0 8 1铜及轻合金 1 0 55 1 3 疲劳极限与静强度的关系 金属材料的 b越大 其疲劳极限也越大 线性关系 b较低时 1 0 5 b s b 结构钢 1p 0 23 s b 1 0 27 s b 铸铁 1p 0 4 b 1 0 45 b 铝合金 1p 1 6 b 7 5MPa 1p 1 6 b 7 5MPa 青铜 1 0 21 b 经验公式 4 疲劳曲线的测定 旋转弯曲疲劳试验机升降法测定 1 13根成组法测高应力部分 二 疲劳图和不对称循环疲劳极限 不对称循环 载荷 疲劳极限工程作图法 疲劳图 各种循环疲劳极限的集合图 a m疲劳图 max min m疲劳图 应力比r对疲劳极限的影响 r增加 S N曲线上移 r升高 1 a m疲劳图 r a m ABC线上 max r max a m ABC曲线数学解析式 2 max min m疲劳图 AHB 在不同r下的疲劳极限 max疲劳极限随 m或r的增加而增加 但 a减小 塑性材料 max m疲劳图 三 抗疲劳过载能力 偶然短时过载 1过载损伤 如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后 其疲劳极限和疲劳寿命减小的现象 一定过载应力 一定周次 过载损伤金属材料抵抗过载损伤的能力 过载损伤界 过载损伤区 累积过载周次 过载损伤界过载持久值 高应力区应力循环周次过载损伤区离持久值线越近 r降低的越多 越陡直越好原因 非扩展裂纹 四 疲劳缺口敏感度 Kt 理论应力集中系数 Kt max 1Kf 疲劳缺口系数 Kf 1 1N 1Kf Kt qf 1 材料的缺口敏感性最大 Kf 1 1 1N 缺口不降低疲劳极限 qf 0 材料的缺口敏感性最小 qf值能反映材料降低应力集中的能力 影响因素高周疲劳时 大多数金属都对缺口十分敏感 低周疲劳时 对缺口不太敏感 塑性区内应力松弛 应力集中降低强度 硬度上升 qf上升 即敏感缺口尖锐度上升 qf降低 5 3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 先预制疲劳裂纹 固定r和 a N曲线da dN 裂纹扩展速率 1 2 ac和Np减小 一 疲劳裂纹扩展曲线 疲劳过程 裂纹萌生 亚稳扩展 失稳扩展 二 疲劳裂纹扩展速率 一 疲劳裂纹扩展速率曲线da dN 应力水平 裂纹尺寸 与a复合为应力强度因子范围 K K 控制裂纹扩展的复合力学参量疲劳裂纹扩展速率曲线 曲线分析 I区 初始段 K Kthda dN很小 裂纹不扩展 K Kth K da dN 裂纹扩展但不快 II区 主要段 K da dN 裂纹亚稳扩展 决定疲劳裂纹扩展寿命III区 最后段 K da dN 裂纹失稳扩展 二 疲劳裂纹扩展门槛值 定义 疲劳裂纹不扩展的 K临界值 记为 Kth 表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能 5 10 KIC材料的力学性能指标 其值越大 材料越好 Kth与 1相似 无限寿命疲劳强度 1 光滑试样 用于传统设计和校核 Kth 裂纹试样 适于裂纹件 裂纹件无限寿命校核公式 疲劳极限 r S N曲线 a m疲劳图 max m疲劳图 疲劳缺口敏感度 过载损伤 a N曲线 疲劳裂纹扩展门槛值 Kth 三 Paris公式 区c n 材料试验常数 n 2 4与材料 r 环境有关 组织影响小适用场合 高周疲劳 四 影响da dN的因素 1 r 或 m 的影响r 曲线向左上方移动 da dN升高对 区的影响更大r 降低 Kth 2 过载峰的影响 存在偶然过载过载适当 反而有益 裂纹扩展过载停滞 裂纹闭合效应 阻止周围弹性变形恢复 压应力残余压应力迭加 裂纹提前闭合 减少 K 降低da dN 原因 裂纹尖端塑性区的残余压应力 3 材料组织的影响 对I III区的影响较明显晶粒越粗大 其 Kth值越高 da dN越低 韧性相可使 Kth 喷丸强化 Kth 三 疲劳裂纹扩展寿命估算 由和得 所以裂纹扩展寿命 举例 某轴KIC 48 2MPa m1 2 s 823MPa da dN 10 14 K 4 启动时最大应力 max 368MPa min 0 经检验发现表面有半椭圆裂纹 裂纹尺寸a 4mm c 12 5mm 如此轴每周启动一次 试估算该轴的疲劳寿命 解题思路 1 求KI a 表达式 2 计算裂纹临界尺寸 3 计算疲劳寿命 1 求KI a 表达式 表面半椭圆型裂纹 所以 2 计算裂纹临界尺寸 3 计算疲劳寿命 积分后得 每年52周 大约可用379 52 7 3年 5 4疲劳过程及机理 疲劳过程 裂纹萌生 亚稳扩展 失稳扩展疲劳寿命Nf N0 NpN0 疲劳裂纹萌生期Np 疲劳裂纹亚稳扩展期 一 疲劳裂纹萌生过程及机理 疲劳裂纹核 0 05 0 1mm的裂纹疲劳微观裂纹由不均匀的局部滑移和显微开裂引起 主要方式 表面滑移带开裂第二相 夹杂物或其界面开裂晶界或亚晶界开裂等 一 滑移带开裂产生裂纹 1 驻留滑移带循环应力 s 1 循环滑移 循环滑移带 不均匀 总是集中分布于某些局部薄弱区域 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 仅在表面形成 较浅 加宽 位错塞积和交割 微裂纹 2 挤出脊和侵入沟滑移带向前 挤出峰 向后移动 侵入沟峰 沟不断增加 增高 应力集中 空洞 微裂纹 交叉滑移模型 二 相界面开裂产生裂纹 第二相 夹杂物和基体界面开裂本身开裂要求 少 圆 小 匀 三 晶界开裂产生裂纹 位错塞积和应力集中 晶界弱化或晶粒粗化晶界强化或晶粒细化 二 疲劳裂纹扩展过程及机理 阶段 个别侵入沟 或挤出脊 先形成微裂纹 沿主滑移系方向 以纯剪切方式da dN低 约0 1 m 阶段 裂纹扩展垂直拉应力方向 m级 可以穿晶扩展在da dN的II区断口特征 疲劳条带 条纹 出现疲劳条纹 微孔聚集 穿晶沿晶方式 断口特征 具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样 称为疲劳条带 条纹 塑性钝化模型塑性张开钝化和闭合锐化塑性钝化 由于塑性变形使裂尖应力集中减小 滑移停止 裂纹不再扩展的过程 适于韧性材料 总结 金属疲劳裂纹的萌生与扩展的过程 萌生滑移带开裂 第二相 夹杂物或其界面开裂 晶界或亚晶界开裂亚稳扩展I阶段 沿主滑移系 纯剪切方式 扩展速率低II阶段 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 塑性钝化模型失稳扩展 5 5影响疲劳强度的主要因素 一 表面状态的影响 一 应力集中表面缺口应力集中 引起疲劳破坏的主要原因 二 表面粗糙度 微观几何形状 刀痕 擦伤和磨裂表面粗糙度 材料强度表面脱碳 氧化 二 残余应力及表面强化的影响 残余应力叠加工作应力残余压应力提高 r原因 残余压应力在缺口处集中 有效降低拉应力峰值 表面强化处理产生残余压应力 提高表面强度和硬度 提高 r 残余压应力 表面强度和硬度 r 常用表面强化方法 1 表面喷丸及滚压 喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面 使机件表面产生局部形变强化 同时因塑变层周围的弹性约束 又在塑变层内产生残余压应力 材料强度越高 效果越好表面滚压 2 表面热处理及化学热处理 表面淬火 火焰 感应 激光表面化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗等硬度 渗N 渗C 表面淬火 喷丸 滚压 残分布梯度 喷丸 液压 渗N 渗C 表面淬火 三 材料成分及组织的影响 合金成分 显微组织 非金属夹杂物及冶金缺陷 C 合金元素 5 6低周疲劳 较高应力和较少循环次数材料在循环载荷作用下 疲劳寿命为102 105次的疲劳断裂称为低周疲劳 也称塑性疲劳或应变疲劳 一 低周疲劳的特点 一 低周疲劳的特点 1 循环应力与应变形成滞后回线 t 总应变范围 p 塑性应变范围 p 弹性应变范围 2 控制 t或 p 3 低周疲劳破坏有几个裂纹源 4 寿命取决于塑性应变幅 p 二 低周疲劳的金属循环硬化与循环软化 循环硬化 金属材料在恒定应变范围循环作用下 随着循环周次的增加 其应力不断增加循环软化 在循环过程中 应力逐渐减小 循环软化的危害形变抗力下降 导致工件产生过量的塑性变形而失效 循环硬化或软化决定于材料的初始状态 结构特性 应变幅 温度等 退火状态 循环硬化 加工硬化态 循环软化 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 三 低周疲劳的应变 寿命曲线 曼森 S S Manson 和柯芬 L F Coffin 双对数坐标图两条直线迭加 总应变幅 寿命曲线 弹性应变幅 寿命线 塑性应变幅 寿命线 曼森 柯芬公式 过渡寿命 2Nf t左侧 低周疲劳 塑性应变幅主导 塑性控制右侧 高周疲劳 弹性应变幅主导 强度决定 曼森 t 2 2Nf关系 b E 断裂真应变ef 或 低周疲劳寿命曲线通用斜率法各种表面强化手段 对提高低周疲劳寿命均无明显效果 二 热疲劳 热疲劳 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 热机械疲劳 温度循环 机械应力循环两个条件 温度变化和机械约束 内部或外部 内部约束 存在温度差 各部分材料互相约束 不能自由膨胀膨胀热应变 t 热应力 E t塑性应变累积损伤 三 冲击疲劳 冲击疲劳 机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂冲击次数N 105次由冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限 冲击疲劳抗力表示 冲击疲劳极限冲断周次N冲断能量 冲击能量高时 主要取决于塑性 冲击能量低时 主要取决于强度 循环应力 第五章金属的疲劳 高周疲劳 低周疲劳 断口特征 疲劳的特点 具有寿命的断裂脆性断裂对缺陷十分敏感 疲劳源 光亮 表面疲劳区 贝纹线瞬断区 粗糙 a ac 疲劳极限 1 疲劳曲线 S N曲线 a m疲劳图 max m疲劳图 疲劳缺口敏感度 抗疲劳过载能力 过载损伤 qf 0 1 越小疲劳缺口敏感性越小 a N曲线 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳裂纹扩展门槛值 Kth 疲劳过程及机理 萌生滑移带开裂 驻留滑移带 挤出脊和侵入沟 第二相 夹杂物或其界面开裂晶界或亚晶界开裂亚稳扩展I阶段 沿主滑移系方向 纯剪切方式 扩