第五章+材料的疲劳性能.ppt

1 第五章材料的疲劳性能 2 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 称为疲劳 由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力 所以应该先对其进行了解 变动载荷是指载荷大小 甚至方向随时间变化的载荷 变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力 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 可用应力 时间曲线描述 如图5 l所示 3 4 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 5 一 疲劳破坏的变动应力 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 6 一般机件承受的变动应力多为循环应力 是周期性变化的应力 表征应力循环特征的参量有 7 1 疲劳破坏的概念疲劳破坏过程是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 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 8 2 疲劳破坏的特点疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较 具有以下特点 1 该破坏是一种潜藏的突发性破坏 在静载下显示韧性或脆性破坏的材料 在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形 呈脆性断裂 易引起事故造成经济损失 2 疲劳破坏属低应力循环延时断裂 对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要 9 3 疲劳对缺陷 缺口 裂纹及组织 十分敏感 即对缺陷具有高度的选择性 因为缺口或裂纹会引起应力集中 加大对材料的损伤作用 组织缺陷 夹杂 疏松 白点 脱碳等 将降低材料的局部强度 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展 10 4 可按不同方法对疲劳形式分类 接应力状态分 有弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳反复合疲劳 按应力高低和断裂寿命分 有高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳的断裂寿命 N 较长 断裂应力水平较低 又称低应力疲劳 为常见的材料疲劳形式 低周疲劳的断裂寿命较短 断裂应力水平较高 常称为高应力疲劳或应变疲劳 11 三 疲劳断口的宏观特征 如图5 4所示 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 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地 多出现在机件表面 常和缺口 裂纹 刀痕 蚀坑等缺陷相连 但若材料内部存在严重冶金缺陷 也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源 因疲劳源区裂纹表面受反复挤压 摩擦次数多 疲劳源区比较光亮 而且因加工硬化 该区表面硬度会有所提高 13 疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域 其宏观特征是 断口较光滑并分布有贝纹线 或海滩花样 有时还有裂纹扩展台阶 断口光滑是疲劳源区的延续 其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱 反映裂纹扩展快慢 挤压摩擦程度上的差异 贝纹线是疲劳区的最典型特征 一般认为是因载荷变动引起的 因为机器运转时不可避免地常有启动 停歇 偶然过载等 均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹 14 瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域 该区的断口比疲劳区粗糙 宏观特征如同静载 随材料性质而变 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 15 5 2疲劳破坏的机理 一 金属材料疲劳破坏机理 1 疲劳裂纹的萌生金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程 因变动应力的循环作用 裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区 通过不均匀滑移 微裂纹形成及长大而完成 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起 主要方式有 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 16 2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹萌生后便开始扩展 第 阶段是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um 即2 5个晶粒 长 17 随即疲劳裂纹便进入第 阶段 沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹 宜至最后形成剪切唇为止 18 二 非金属材料疲劳破坏机理 1 陶瓷材料的疲劳破坏机理 常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同 其含义更广 有静态疲劳 循环疲劳和动态疲劳之分 其中循环疲劳与金属疲劳具有相同含义 同属在长期变动应力作用下 材料的破坏行为 静态疲劳则相当于金属中的延迟断裂 即在一定载荷作用下 材料可耐受应力随时间下降的现象 动态疲劳是在恒定速率加载条件下研究材料断裂失效对加载速率的敏感性 19 与金属材料完全不同的疲劳力学特性还有 陶瓷材料常温时 在应力作用下不发生或很难发生塑性变形 裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应 因此金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷材料并不适用 但与金属材料相同的是 疲劳破坏也同样经历了裂纹萌生 疲劳裂纹扩展 瞬时断裂的过程 20 疲劳裂纹多萌生于材料表面 对表面材料的缺陷或裂缝大小十分敏感 陶瓷材料疲劳裂纹的亚临界扩展速率对变动载荷应力幅不度敏感 而是强烈依赖裂纹尖端的最大应力强度因子 一旦裂纹尖端应力超过非线性形变起始点 材料强度就大幅度衰减 此外 裂纹扩展速率还明显依赖于环境 材料成分 组织结构等 其程度远比金属材料高 扩展的寿命过程远比金属材料要短 并呈龟裂状 21 二 非金属材料疲劳破坏机理 2 高分子聚合物的疲劳破坏机理 在拉应力作用下 由于非晶态聚合物的表面和内部会出现银纹 因此 不同结构的聚合物疲劳破坏机理也有差异 易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力 高循环应力时 应力很快便达到或超过材料银纹的引发应力 产生银纹 并随之转变成裂纹 扩展后导致材料疲劳破坏 22 中应力循环时也会产生银纹 并转变成裂纹 裂纹扩展速度比高应力区低 但机理 过程相同 低应力循环时因难以引发银纹 由材料微损伤累积及微观结构产生微孔洞及微裂纹 并导致宏观破坏 由于聚合物为粘弹性材料 具有较大面积的应力滞后环 所以在循环过程中部分机械能转化为热能 使导热性差的试样本身温度急剧上升 甚至高于熔点或玻璃化转变温度 从而产生热疲劳 热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因 但是 疲劳循环产生的热量 有时也可以用来修补高分子的微结构损伤 23 二 非金属材料疲劳破坏机理 3 复合材料的疲劳破坏机理 与金属材料相比 复合材料具有良好的疲劳性能 其疲劳破坏有以下特点 有多种疲劳损伤形式 如界面脱粘 分层 纤维断裂 空隙增长 复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏 24 聚合物基复合材料承受循环应力时 因材料导热性能差 又可吸收机械能变为热能 且不易逸散 因此温度明显升高 导致材料性能下降 显示出复合材料的疲劳性能对加载频率敏感 复合材料的疲劳性能对应变尤其是压缩应变特别敏感 复合材料的疲劳性能与纤维取向有关 25 5 3疲劳抗力指标 在机械设计中 疲劳应力判据和断裂疲劳是疲劳设计的基本依据 其中作为材料疲劳抗力指标的疲劳强度 过载持久值 疲劳缺口敏感度及疲劳裂纹扩展速率等都是材料的基本力学性能指标 26 5 3疲劳抗力指标 疲劳强度的定义 在指定疲劳寿命下 材料能承受的上限循环应力 根据要求 指定的疲劳寿命可为无限周次也可为有限周次 应力对疲劳强度有很大影响 应根据实际循环应力状态测定选用相应的疲劳强度 材料的抗拉强度愈大 其疲劳强度也愈大 一 疲劳强度 27 5 3疲劳抗力指标 过去一直认为 对于承受变动载荷的机件按疲劳强度设计是安全的 实际上 服役过程中机件不可避免要受到偶然的过载作用 如设备紧急刹车 突然起动等 又有的机件并不要求无限寿命 常在高于疲劳强度的应力下进行有限寿命服役 显然仅依据材料的疲劳强度并不能评定上述两种情况下的材料抗疲劳性能 为此 提出过载持久值和过载损伤界的概念 二 过载持久及过载损伤界 28 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 29 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 30 5 3疲劳抗力指标 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