第五章 材料在变动载荷下的力学性能幻灯片.ppt

第五章材料在变动载荷下的力学性能 材料力学性能 CompanyLogo 第五章材料在变动载荷下的力学性能 5 1金属疲劳现象及特点 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 5 3疲劳裂纹扩展 5 5影响疲劳强度的主要因素 5 6低周疲劳 5 4疲劳过程及机理 5 1金属疲劳现象及特点 一 变动载荷和循环应力1 变动载荷 应力 定义 是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷 分类 前者称为周期变动载荷或循环载荷 后者称为随机变动载荷 实际的工程构件承受的载荷多为随机变动载荷 但对工程材料的疲劳特性分析而言 为简化起见 主要讨论循环载荷情况 5 1金属疲劳现象及特点 5 1金属疲劳现象及特点 随机载荷偶然过载对疲劳性能影响很大 6 5 1金属疲劳现象及特点 2 循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波 矩形波和三角形波等 1 循环应力的描述 最大应力与最小应力 max min 平均应力 m 1 2 max min 应力幅 a 1 2 max min 应力比 min max 7 5 1金属疲劳现象及特点 2 循环应力的种类 8 5 1金属疲劳现象及特点 9 5 1金属疲劳现象及特点 10 5 1金属疲劳现象及特点 第五章材料在变动载荷下的力学性能 三 疲劳现象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 四 疲劳分类 1 按应力状态弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 复合疲劳等 2 按环境腐蚀疲劳 热疲劳 接触疲劳等 3 按断裂寿命和应力高低高周疲劳 断裂寿命较长 Nf 105周次 因断裂应力低 s 所以也叫低应力疲劳 低周疲劳 断裂寿命较短 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 5 1金属疲劳现象及特点 13 高周疲劳 疲劳断裂寿命不小于105周次的疲劳 应力小 弹性范围 低周疲劳 次数小于104 105 应力大于屈服强度 产生塑性变形 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 5 1金属疲劳现象及特点 接触疲劳 5 1金属疲劳现象及特点 16 五 疲劳的特点 1 断裂应力 b 甚至 s 2 疲劳是脆性断裂 3 对材料的缺陷 缺口 裂纹和组织缺陷 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 存在破坏的临界应力ac 5 1金属疲劳现象及特点 第五章材料在变动载荷下的力学性能 疲劳属低应力循环延时断裂 其断裂应力水平往往 b 甚至 s 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 18 六 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 5 1金属疲劳现象及特点 19 5 1金属疲劳现象及特点 20 5 1金属疲劳现象及特点 1 疲劳源 形成于应力集中区 1 内部缺陷 夹杂物 缩孔 偏析 白点等 2 加工缺陷 刀痕 微裂纹 3 不当设计 截面突然发生变化 断口形貌 1 疲劳源区的光亮度最大 因为由于应力交变 断面不断摩擦挤压而光亮 2 表面硬度有所提高 因为加工硬化 3 随应力状态及其大小的不同 可有一个或几个疲劳源 22 2 疲劳裂纹扩展区 贝纹区 1 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 2 贝纹线由载荷变动引起的 3 贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线 5 1金属疲劳现象及特点 23 3 瞬断区一般在疲劳源的对侧 脆性材料为结晶状断口 韧性材料有放射状或人字纹纹理 边缘为剪切唇 5 1金属疲劳现象及特点 24 2024Al合金疲劳条纹 5 1金属疲劳现象及特点 25 高周疲劳 疲劳断裂寿命不小于105周次的疲劳 应力小 弹性范围 低周疲劳 次数小于104 105 应力大于屈服强度 产生塑性变形 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 26 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 一 S N曲线和疲劳极限 27 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 28 S N曲线 疲劳曲线 横坐标N 纵坐标为材料最大应力或应力振幅S N曲线和疲劳极限来表征材料的疲劳特性和指标 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 一 S N曲线和疲劳极限 29 1 由高应力段和低应力段组成 前者寿命短 后者寿命长 并且随应力水平下降断裂循环周次增加 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 30 2 对一般金属材料 中低强度钢 当循环应力水平降低到某一临界值时 低应力段变为水平线段 表明当所加交变应力降低到水平值时 试样可承受无限次 107周次以上 应力循环而不发生疲劳断裂 因而将水平部分对应的应力称为疲劳极限 r 用 1表示 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 31 3 对于另一类金属材料 铝合金 不锈钢 高强度钢等 S N曲线没有水平部分 随应力降低 循环周次不断增大 不存在无限寿命 根据使用要求给出一定循环周次 108周次 所对应的应力 作为材料的 条件疲劳极限 r 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 32 中低强度钢有明显的渐近线高强度钢 铝合金 钛合金没用明显的渐近线评判断裂应力标准 铸铁 107 有色金属 108 钛合金 107 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 第五章材料在变动载荷下的力学性能 34 水平段形成原因 应变时效 强化滑移区域 使该区域强度提高 正面作用塑性滑移和疲劳裂纹生成 使滑移区域承载能力降低 累积损伤作用 负面作用两者平衡 裂纹停止生长 材料不断裂 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 35 2 N曲线的测定 常用旋转弯曲疲劳试验机 有效试样13根以上 用升降法测定 1再用概率统计方法处理数据 取可信度 确定点的位置 连线 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 36 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 37 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 38 3 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其中 1弯曲对称疲劳极限 1p为对称拉压疲劳极限 1为对称扭转疲劳极限 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 第五章材料在变动载荷下的力学性能 40 4 疲劳极限与静强度之间的关系金属材料的抗拉强度越大 其疲劳极限也越大 对中低强度钢 疲劳极限与抗拉强度大体呈线性关系 1 当 b较低时 近似写成 1 0 5 b 2 当 b较高时 发生偏离 强度较高时材料塑性和断裂韧性下降 裂纹易于形成和扩展 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 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 41 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 42 二 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 a m图y轴上的A点 x轴上的C点 其余各点纵 横坐标各代表每一r下疲劳极限 a和 m max a m 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 43 根据角度 从原点O引直线交曲线于点B B点对应的横 纵坐标可求出 再求出 max r tan a m max 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 44 根据经验 1 对大多数工程合金 Soderberg关系对疲劳寿命的估计比较保守 2 对脆性金属 包括高强度钢 其抗拉强度接近于真实断裂应力 用Goodman关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好 3 对塑性材料 用Geber关系较好 2 公式法 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 45 3 max m图在B点 m 0 r 1 a 1 疲劳极限 r max 1 在A点 m b r 1 a 0 疲劳极限 r max b 在AHB曲线上 应力比与角度的关系为 r tan 疲劳极限 交点纵坐标 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 46 三 疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度qf0 qf 1Kt为理论应力集中系数 决定于缺口的几何形状与尺寸 Kf为有效应力集中系数 1和 1N分别为光滑与缺口试样的疲劳极限 Kf的大小也和材料特性有关 q 0 表示对缺口完全不敏感 q 1则表示对缺口十分敏感 影响q的因素 强度 硬度上升 q上升 即敏感缺口尖锐度上升 q上升 5 2疲劳曲线及基本疲劳力学性能 48 5 3疲劳裂纹扩展 根据第四章的分析 当构件中存在裂纹并且外加应力达到临界值时 就会发生裂纹的失稳扩展 结构破坏 在绝大多数情况下 宏观的临界裂纹是零件在循环载荷作用下由萌生的小裂纹逐渐长大而成的 即所谓亚临界裂纹扩展过程 裂纹和类似缺陷可以通过无损检测手段发现 从而在破坏前就被修理或报废 49 一 疲劳裂纹扩展曲线高频疲劳试验机 固定裂纹预制长度a0 应力比r和应力幅 作a N曲线 曲线斜率da dN为裂纹扩展速率 裂纹达到ac da dN无限大 裂纹失稳扩展 试样最后断裂 若改变应力 1增加到 2则裂纹扩展加快 曲线位置向左上方移动 ac和Np都对应减小 5 3疲劳裂纹扩展 50 5 3疲劳裂纹扩展 二 疲劳裂纹扩展速率1 疲劳裂纹扩展速率曲线材料的疲劳裂纹扩展速率da dN不仅与应力水平 有关 而且与当时的裂纹尺寸a有关 将两者复合为应力强度因子 K K Kmax Kmin Y a1 2每一次小扩展 便认为是一次断裂过程 K为裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量 51 5 3疲劳裂纹扩展 二 疲劳裂纹扩展速率lg da dN lg K曲线I区 初始段 K Kth da dN值很小 裂纹不扩展 K Kth K da dN 裂纹扩展但不快 I区所占寿命不长 II区 主要段 K da dN较大 裂纹亚稳扩展 是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段 III区 最后段 K da dN 裂纹失稳扩展 52 5 3疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展门槛值确定 Kth为裂纹疲劳不扩展的 K临界值 称为疲劳裂纹扩展门槛值 表示材料组织疲劳裂纹开始扩展的性能 其值越大 阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大 材料就越好 单位MN m 3 2或MPa m1 2 Kth与 1的区别 1是光滑试样的无限寿命疲劳强度 用于传统的疲劳强度设计和校核 Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能 适合裂纹件的设计和校核 53 5 3疲劳裂纹扩展 根据 Kth的定义建立的裂纹件不疲劳断裂校核公式 K Y 1 2 Kth 裂纹不扩展 已知其中两个量 可求第三个量 实际测定材料 Kth时很难做到da dN 0的情况 因此实验时规定 平面应变条件下 da dN 10 6 10 7mm 周次对应的 K来代替 Kth 称为工程疲劳门槛值 54 5 3疲劳裂纹扩展 paris公式Paris根据大量试验数据 提出了在疲劳裂纹扩展速率曲线II区 da dN与 K关系的经验公式 da dN c K nc n 材料试验常数 与材料 应力比 环境等因素有关 显微组织对n的影响不大 多数材料的n值在2 4之间变化 55 5 3疲劳裂纹扩展 56 5 3疲劳裂纹扩展 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 1 应力比r的影响 应力比r 曲线向左上方移动 使da dN升高 而且在I III区的影响比II区的大 57 5 3疲劳裂纹扩展 2 过载峰的影响偶然过载进入过载损伤区 将使材料受到损伤并降低疲劳寿命 但若过载适当 有时反而是有益的 在恒载裂纹疲劳扩展期内 适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间 发生裂纹扩展过载停滞现象 并延长疲劳寿命 58 5 3疲劳裂纹扩展 3 显微组织对I III区的da dN影响比较明显 晶粒粗大 Kth值越高 da dN值越低 韧性相可使 Kth 钢的高温回火的组织韧性好 强度低 其 Kth较高 低温回火的组织韧性差 强度高 其 Kth较低 中温回火的 Kth则介于两者之间 300M钢 59 5 3疲劳裂纹扩展 三 疲劳裂纹扩展寿命的估算对于机件疲劳剩余寿命的估算 一般先用无损探伤方法确定机件初始裂纹尺寸a0 形状位置和取向 从而确定 K的表达式 K Y 1 2 再根据材料的断裂韧性KIC及工作名义应力 确定临界裂纹尺寸ac 然后根据由试验确定的疲劳裂纹扩展速率表达式 最后用积分方法计算从a0到ac所需的循环周次 即疲劳剩余寿命Nc 60 5 3疲劳裂纹扩展 常选用paris公式 da dN C K n和 K Y 1 2所以 61 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 断裂 一 疲劳裂纹的萌生常将0 05 0 1mm的裂纹定为疲劳裂纹核 引起裂纹萌生的原因 显微开裂 不均匀的局部滑移 主要方式为 表面滑移带开裂 第二相 夹杂物或其界面开裂 晶界或亚界面开裂 62 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 驻留滑移带是由材料某薄弱区域产生的 驻留滑移带一般只在表面形成 其深度较浅 随着加载循环次数的增加 循环滑移带会不断地加宽 当加宽至一定程度时 由于位错的塞积和交割作用 便在驻留滑移带处形成微裂纹 5 4疲劳过程及机理 63 2 挤出峰和侵入沟滑移带在表面加宽过程中 还会向前或向后移动 形成挤出峰和侵入沟 循环过程中 峰 沟不断增加 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 5 4疲劳过程及机理 5 4疲劳过程及机理 措施 只要能提高材料的滑移抗力 如采用固溶强化 细晶强化等手段 均可以阻止疲劳裂纹萌生 提高疲劳强度 65 2 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 改善措施 只要降低第二相或夹杂物的脆性 提高相界面强度 控制第二相或夹杂物的数量 形状 大小和分布 使之 少 圆 小 匀 均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生 提高疲劳强度 5 4疲劳过程及机理 66 3 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 凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素 如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析 回火脆 晶界析氢及晶粒粗化等 均易产生晶界裂纹 降低疲劳强度 5 4疲劳过程及机理 67 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 从表面个别侵入沟 或挤出脊 先形成微裂纹 最后裂纹沿主滑移系 以纯剪切方式向内扩展 扩展速率很低 仅0 1 m的扩展量 第二阶段 在da dN的II区 由于晶界的阻碍作用 使扩展方向逐渐垂直于主应力方向 扩展速率10 5 10 2mm 次 形成疲劳条纹 疲劳辉纹 一条辉纹就是一次循环的结果 5 4疲劳过程及机理 68 5 4疲劳过程及机理 疲劳条带与贝纹线的区别 疲劳条带是疲劳断口的微观特征 贝纹线是疲劳断口的宏观特征 在相邻贝纹线之间可能有成千上万个疲劳条带 在断口上二者可以同时出现 也可以不同时出现 69 2 疲劳裂纹扩展模型裂纹不再扩展的过程 称为 塑性钝化 该模型对塑性材料的疲劳扩展过程 韧性疲劳条带的形成过程是很成功的 材料的强度越低 裂纹扩展越快 条带越宽 5 4疲劳过程及机理 5 5影响疲劳强度的因素 一 材料内因1 化学成分成分决定组织和强化效果 2 显微组织相 相间交互作用 夹杂物 晶粒大小等 3 治金缺陷夹杂 疏松 偏析 裂纹 方向性等 二 材料表面状态和工件结构1 表面状态表面粗糙度 表面强化 机械 热处理 喷涂 化学 2 工件结构壁厚 壁厚均匀性 表面沟槽等 三 工况因素1 载荷载荷的大小和加载方式 加载频率 加载间歇 次载锻炼 2 环境温度 周边介质 应力状况 低周疲劳 应力水平高 循环周次少 举例 飞机起落架 飞机发动机涡轮盘 常年阵风吹刮的桥梁 5 6低周疲劳 工程构件的名义应力一般低于材料的屈服应力 但当构件上存在缺口或类似缺口的部位时 则可由应力集中而使其局部区域接近甚至进入了弹塑性状态 随着设计思想的改进 在某些情况下 对构件只要求有限寿命 可允许有较大的承载 从而使构件处于应变控制的疲劳过程 因此 金属在交变载荷作用下 由于塑性应变的循环作用所引起的疲劳破坏称为低周疲劳 或塑性疲劳 应变疲劳 5 6低周疲劳 低周疲劳的交变应力水平较高 max一般接近或超过材料的屈服强度 但加载频率较低 且疲劳寿命较短 一般只有102 105周次 亦称高应力疲劳 5 6低周疲劳 74 一 低周疲劳的特点1 局部产生宏观塑性变形 应力与应变之间呈非线性 总应变 t e p 5 6低周疲劳 5 6 1低周疲劳概述 75 2 要用 t 2 N或 p 2 N描叙疲劳规律低周疲劳试验时 或者控制总应变范围 或者控制塑性应变范围 在给定的 t或 p下测定疲劳寿命 试验结果处理不用S N曲线 要用 t 2 N或 p 2 N描叙疲劳规律 t 2和 p 2分别表示为总应变幅和塑性应变幅 5 6低周疲劳 76 3 裂纹成核期短 有多个裂纹源 断口呈韧窝状 轮胎花样状 由于应力比较大 低周疲劳裂纹容易形核 形核期只占寿命的10 微观断口的疲劳条带较粗 间距较宽 并且常常不连续 在某些金属材料中 应力循环周次小于90时 断口呈韧窝状 大于100次时 出现轮胎花样 5 6低周疲劳 77 4 疲劳寿命取决于塑性应变幅 区别 不同点 高周疲劳寿命取决于应力幅或应力强度因子范围 相同点 都是循环塑性变形累积损伤的结果 5 6低周疲劳 二 循环硬化和循环软化 在低周疲劳的循环加载初期 材料对循环加载的响应是一个由不稳定向稳定过渡的过程 此过程可分别用应力控制下的 t曲线或应变控制下的 t曲线描述 材料对循环加载的初始响应过程可表现为循环硬化或循环软化 5 6低周疲劳 应力控制下的材料循环特性应变控制下的材料循环特性 5 6低周疲劳 循环硬化是材料在循环过程中变形抗力不断提高 恒定应变范围条件下 应变逐渐减小 恒定应力范围条件下 的现象 循环软化是材料在循环过程中变形抗力不断减小 恒定应变范围条件下 而应变逐渐增加 恒定应力范围条件下 的现象 危险 在循环硬化和循环软化两种情况下 相应的滞后回线都不闭合 只有经过一定周次后才形成封闭滞后回线 5 6低周疲劳 5 6低周疲劳 材料在低周疲劳过程中 由于塑性应变的作用 在一个完全的循环加载下其应力 应变曲线必然形成一个滞后回线 但在加载初期 材料可能因循环硬化和循环软化而使滞后环并不封闭 在继续循环中 这种不稳定过程会逐步趋于稳定 最终使滞后环封闭 5 6低周疲劳 40CrNiMo钢的循环应力 应变曲线低于单次应力 应变曲线 表明这种钢具有循环软化现象 反之 若材料的循环应力 应变曲线高于它的单次应力 应变曲线时 则表明该材料具有循环硬化现象 5 6低周疲劳 循环应变会导致材料形变抗力发生变化 使材料的强度变得不稳定 特别是由循环软化材料制作的机件 在承受大应力循环使用过程中 将因循环软化产生过量的塑性变形而使机件破坏 因此 承受低周大应变的机件 应该选用循环稳定或循环硬化型材料 工程指导意义 5 6低周疲劳 金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于材料的初始状态 结构特性以及应变幅和温度等 其中 退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化 而加工硬化的材料则往往表现为循环软化 循环硬化与循环软化的影响因素与划分依据 5 6低周疲劳 1 b s标准当 b s 1 4时 表现为循环硬化 当 b s 1 2时 表现为循环软化 当 b s比值在1 2 1 4之间的材料 其倾向不定 一般此类材料比较稳定 没有明显的循环硬化和循环软化现象 2 应变硬化指数n评判n 0 1时 材料表现为循环硬化或循环稳定 n 0 1时 材料表现为循环软化 5 6低周疲劳 循环硬化产生原因 位错运动 例如 一些退火软金属在恒应变幅的循环载荷下 由于位错往复运动和交互作用 产生了阻碍位错继续运动的阻力 从而产生循环硬化 在冷加工后的金属中 充满位错缠结和障碍 这些障碍在加载中被破坏 在一定沉淀强化不稳定的合金中 由于沉淀结构在循环加载中被破坏均可导致循环软化 三 应变 寿命曲线 Nf 一般用总应变半幅 2和循环失效的反复次数2Nf在双对数坐标上表示低周疲劳的疲劳抗力 其应变幅 或塑性应变幅 是决定低周疲劳寿命的主要因素 经验表明 若把总应变幅 分解为弹性应变幅 e和塑性应变幅 p时 二者与循环次数的关系都可以近似用直线表示 5 6低周疲劳 应变 寿命曲线 2NT 过渡寿命在交点左侧 低周疲劳范围 塑性应变幅起主导作用 材料的疲劳寿命由塑性控制 在交点右侧 高周疲劳范围 弹性应变幅起主导作用 材料的疲劳寿命由强度决定 5 6低周疲劳 e 2 2Nf的关系 为2Nf 1时直线的截距 称为疲劳强度系数 因相当于一次加载 故可取 f f 静拉伸的断裂应力 b为直线的斜率 称为疲劳强度指数 5 6低周疲劳 p 2 2Nf的关系 Manson Coffin经验方程 f为2Nf 1时直线的截距 称为疲劳塑性系数 同理 可以取 f f 静拉伸的断裂应变 c为直线的斜率 称为疲劳塑性指数 5 6低周疲劳 因此 2 2Nf的关系 上式可以看成是S N曲线和Manson Coffin曲线的叠加 既反映长寿命的弹性应变 寿命的关系 也反映短寿命的塑性应变 寿命的关系 5 6低周疲劳 5 6低周疲劳 为了应用更为方便 曼森通过对29中金属材料的试验研究发现 总应变幅 t 2与疲劳断裂寿命2Nf之间存在下列关系 即只要知道材料的静拉伸性能 b E ef 就可以求得材料光滑试