材料的疲劳性能范文

材料的疲劳性能范文材料的疲劳性能范文 材料的疲劳性能 一 疲劳破坏的变动应力材料在变动载荷和应变的长期作用下 因 累积损伤而引起的断裂现象 称为疲劳 变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷 变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力 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 1 表征应力循环特征的参量有 最大循环应力 max 最小循环 应力 min 平均应力 m max min 2 应力幅 a或应 力范围 max min a 2 max min 2 应力比 或称循环应力特征系数 r min max 2 按平均应力和应力幅的相对大小 循环应力分为 对称循环 m max min 2 0 r 1 大多数旋转轴类零件承受此类应力 不对称循环 m 0 1 发动机连杆或结构中某些支撑杆 螺栓承受此类应力 a m 0 10 r 0 齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力 m a a 0 二 疲劳破坏的概念和特点 1 疲劳破坏概念在变动应力作用下 材料内部薄弱区域的组织逐渐 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积累 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 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 疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程 由于应力水平较低 因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段 相应的断口上也显示出疲劳源 疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特 征 2 疲劳破坏的特点 1 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点 该 破坏为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 疲劳破坏属于低应力循环延时断裂 对于 疲劳寿命的预测显得十分重要和必要 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 可以按不同方法对疲劳形式分类 按应力状态分有弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳及复合 疲劳 按应力高低和断裂寿命分有高周疲劳和低周疲劳 三 疲劳断口的宏观特征 1 典型疲劳断口具有3个特征区疲劳源 疲劳裂纹扩展区和瞬断区 1 疲劳源疲劳裂纹萌生区 多出现在零件表面 与加工刀痕 缺 口 裂纹 蚀坑等相连 特征是光亮 因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压 摩擦次数多 疲劳源可以是一个 也可以有多个 如单向弯曲 只有一个疲劳源 双向弯曲 可出现两个疲劳源 2 疲劳裂纹扩展区 亚临界扩展区 疲劳裂纹扩展区特征为断口 较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶 贝纹线是疲劳区最典型的特征 是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线 凹侧指向疲劳源 凸侧指向裂纹扩展方向 近疲劳源区贝纹线较细密 裂纹扩展较慢 远疲劳源区贝纹线较 稀疏 粗糙 裂纹扩展较快 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性 高名义应力或材料 韧性较差时 贝纹线区不明显 反之 低名义应力或高韧性材料 贝纹线粗且明显 范围大 3 瞬断区瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域 该区断口粗糙 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 表面平面应力区则有剪切唇区存在 瞬断区一般在疲劳源对侧 大小与名义应力 材料性质有关 高名义应力或脆性材料 瞬断区大 反之 瞬断区小 四 金属材料疲劳破坏的机理 1 疲劳裂纹的萌生 形核 裂纹萌生常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 通常将长0 05 0 10mm的裂纹定为疲劳裂纹核 对应的循环周期N为裂纹萌生期 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夹杂物本身开裂 晶界或亚晶 界处开裂 在循环载荷作用下 即使循环载荷未超过材料屈服强度 也会在材 料表面形成循环滑移带 不均匀滑移 其与静拉伸形成的均匀滑移不同 循环滑移带集中于 某些局部区域 用电解抛光法也难以去除 即使去除了 再重新循 环加载 还会在原处再现 称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带 驻留滑移带在表面加宽过程中 会形成挤出脊和侵入沟 从而引起 应力集中 形成疲劳微裂纹 1 表面易产生疲劳裂纹的原因 在许多载荷方式下 如扭转疲劳 弯曲和旋转弯曲疲劳等 表面应力最大 实际构件表面多存在类裂纹缺陷 如缺口 台阶 键槽 加工划 痕等 这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地 相比于晶粒内部 自由表面晶粒受约束较小 更易发生循环塑性 变形 自由表面与大气直接接触 因此 如果环境是破坏过程中的一个 因素 则表面晶粒受影响较大 2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹萌生后开始扩展 第 阶段沿着最大切 应力方向向内扩展 大多数微裂纹不继续扩展 成为不扩展裂纹 个别微裂纹可延伸几 十 m长 随即疲劳裂纹进入第 阶段 沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂 纹 直至最后形成剪切唇为止 在室温及无腐蚀条件下 第 阶段呈穿晶扩展 扩展速率da dN随N 的增加而增大 在多数韧性材料的第 阶段 断口用电子显微镜可看到韧性条带而 脆性材料中可看到脆性条带 疲劳条带 辉纹 呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样 与裂纹扩展 方向垂直 与贝纹线不同 疲劳条带是疲劳断口的微观特征 疲劳条带形成的原因裂纹尖端的塑性张开 钝化和闭合钝化 使裂 纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型 五 非金属材料疲劳破坏机理 1 陶瓷材料的疲劳破坏机理静态疲劳相当于金属中的延迟断裂 即 在一定载荷作用下 材料耐用应力随时间下降的现象 动态疲劳在恒定加载条件下 研究材料断裂失效对加载速率的敏感 性 循环疲劳在长期变动应力作用下 材料的破坏行为 陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征 2 高分子聚合物的疲劳破坏机理 1 非晶态聚合物 高循环应力时 应力很快达到或超过材料银纹 的引发应力 产生银纹 随后转变成裂纹 扩展后导致材料疲劳破 坏 中循环应力也会引发银纹 形成裂纹 但裂纹扩展速率较低 机 理相同 低循环应力 难以引发银纹 由材料微损伤累积及微观结构变化 产生微孔及微裂纹 最终裂纹扩展导致宏观破坏 2 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物 疲劳过程有 以下现象 整个过程 疲劳应变软化而不出现硬化 分子链间剪切滑移 分子链断裂 结晶损伤 晶体结构变化 产生显微孔洞 微孔洞合并成微裂纹 并扩展成宏观裂纹 断口呈裂纹扩展形成的肋状形态 断口呈丛生簇状结构 拉拔 3 高聚物的热疲劳由于聚合物为粘弹性材料 具有较大面积的应 力滞后环 所以在应力循环过程中 外力所做的功有相当一部分转 化为热能 而聚合物导热性能差 因此温度急剧升高 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 因此疲劳循环产生的热量 使聚合物升温 可以修补高分子 的微 结构损伤 使机械疲劳裂纹形核困难 4 聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹 疲劳辉纹每周期的 裂纹扩展值为10 m 间距 聚合物相对分子量较高时 在所有应力强度因子条件下 皆可形成 疲劳辉纹 疲劳斑纹对应着不连续 跳跃式的裂纹扩展 间距有50 m 相对分子量较低时 在较低应力强度因子条件下 易形成疲劳斑纹 3 复合材料的疲劳破坏机理 1 复合材料疲劳破坏的特点 多种疲劳损伤形式界面脱粘 分层 纤维断裂 空隙增长等 不发生瞬断 其疲劳破坏的标准与金属不同 常以弹性模量下降 的百分数1 2 共振频率变化 1 2HZ 作为破坏依据 聚合物基复合材料 以热疲劳为主 对加载频率