第五章金属疲劳.ppt

第五章金属疲劳,ChapterFiveFatigueofMetals,5.1概述(BriefIntroduction)定义(Definition),疲劳破坏指材料在低于抗拉强度的交变应力作用下,经过一定循环后所发生的突然断裂,即在断裂前没有明显的宏观塑性变形。,疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括：疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）;疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）;疲劳实验（包括机器的设计、载荷的测定、数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算）。,一、交变载荷及循环应力(Alternativeloadsandcirculativestress),5.2金属疲劳的基本现象与规律(Basicphenomenonandregulationofmetalfatigue),定义：交变载荷：指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为循环应力）和无规随机变动应力两种（见图5-1）。,规则变化应力（即循环应力）有：a)正方形波b)矩形波c)三角形波,循环应力可用几个特征参量来表示，即：最大应力max、最小应力min及平均应力m、应力振幅a。a（maxmin）2应力比:min/max几种常见的循环应力见图52。,对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅立叶变化成几种循环应力，再进行相关分析，比较复杂，所以在此不涉及。,二、疲劳种类及特点(Typesandcharacteristicoffatigue)1、分类(Classification),1）按应力状态分有：a）弯曲疲劳b）扭转疲劳c）拉压疲劳d）复合疲劳,2）按环境分有：a）大气疲劳b）腐蚀疲劳c）高温疲劳d）接触疲劳e）热疲劳,3）按断裂寿命及应力高低分：a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf105次0,表示裂纹才扩展因此Kth称为疲劳裂纹扩展门槛值，单位为Mpa.m1/2Kth和疲劳极限1均表示无限寿命的疲劳性能值。1指无裂纹的光滑试样，而Kth则指有裂纹的试样。,影响疲劳裂纹扩展因素有如下几种：K（应力强度因子范围）的影响K则da/dN2.应力比（或平均应力m）的影响由于压应力使裂纹闭合而不扩展，所以只研究0,m0对da/dN的影响当0，则da/dN，Kth,（三）疲劳裂纹扩展的影响因素（Factorsofaffectingfatiguecrackpropagation）,3过载峰影响当交变应力的振幅不恒定，而有偶然增大及过载时，则疲劳裂纹扩展缓慢或停滞一段时间，即发生过载停滞现象（原因是在交变应力正半周过载，即过载拉应力，则产生较大塑性区，并阻碍循环负半周时弹性变形的恢复，从而产生残余压应力，则裂纹尖端闭合，即K，则da/dN）,4组织影响晶粒越粗大，则Kth,da/dN(正好与屈服强度变化规律相反)；当组织中存在一定量的韧性相（如残奥，贝氏体等），则Kth,da/dN；喷丸则Kth,da/dN（产生压应力）,(四)疲劳裂纹扩展速率表达式(Formulaoffatiguecrackpropagationrate)1、Paris公式对于区，Paris建立了如下经验公式：da/dN=c(K)n式中，n、c为材料常数，n在24之间变化。,具体有：铁素体珠光体：da/dN=6.910-12K3.0奥氏体不锈钢：da/dN=5.610-12K3.25马氏体不锈钢：da/dN=1.3510-10K2.25注：Paris公式一般适用于多周疲劳（即低应力疲劳）,Forman考虑了应力比和断裂韧度KIC（或KC）对da/dN的影响，具体如下：da/dNc（K）n/(1)KCK3、综合式根据以上的讨论，可以得到以下的综合公式：da/dNc（KKth）n/(1)KCK从上式可见：当KKth，da/dN0，即疲劳裂纹不扩展。,2、Forman公式,当已知构件中的裂纹长度（可用无损探伤法测定）以及构件所承受的应力状态。则可从下式：da/dNc（Ya1/2）n来计算疲劳寿命N。dNda/c（Ya1/2）n当n2时，有：当n=2时，则有：具体例子见P.127。,（五）疲劳裂纹扩展寿命的估算（Evaluationoffatiguecrackpropagationlife）,5.5疲劳过程及机理(Fatigueprocessandmechanism),疲劳破坏包括裂纹萌生，亚稳扩展及失稳扩展等三个阶段，每阶段扩展过程及其机理如下：,一、疲劳裂纹萌生过程及其机理(Processandmechanismoffatiguecrackorigin),宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成。在确定裂纹萌生期时尚无统一的裂纹长度标准。常将0.050.1mm长的裂纹作为疲劳裂纹核，对应的时间则作为裂纹萌生期。研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂等引起的，主要方式有：表面滑移带的开裂(下面要具体图示）；第二相、夹杂物或其晶界等处的开裂；晶界或亚晶界处的开裂。,图510低碳钢在交变应力（=200MPa）下滑移带的形成过程a)N=1105次；b)5105次；c)15105次,图5-12金属表面“挤出”、“侵入”，并形成裂纹,（二）疲劳裂纹扩展过程及其机理(ProcessandmechanismoffatiguecrackPropagation)疲劳微裂纹萌生后，即进入裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，可分为两个阶段（见图513所示）。,图5-13疲劳裂纹内扩展的几个过程,第一阶段：从个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，再沿最大切应力方向向内扩展（45）。在众多微裂纹中，只有个别裂纹会扩展到25个晶粒。da/dN很小。断口形貌特征不明显。Laird提出塑性钝化理论（见图5-14）；Cell提出的理论是：反复移动造成高位错密度，就有高应变能，从而形成新表面（见图5-14）。,图5-14疲劳裂纹扩展第一阶段的两种模型a)塑性钝化；b)位移模型,2、第二阶段：由于晶界的阻碍作用，裂纹沿垂直拉应力方向扩展，直到最后形成剪切唇为止。da/dN较大，与da/dk曲线的第二阶段符合。电镜下，断口形貌为略弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条纹（条带）（见图515）。,图5-15疲劳条带a)韧性条带10000；b)脆性条带6000,3、疲劳带形成机理（Mechanismoffatiguebandsformulation）关于疲劳带的形成有多种机理，其中比较流行的有塑性钝化模型和再生核模型。塑性钝化模型（见图516）,对塑性材料适合;再生核模型,Forsyth和Ryderl（FR模型）认为疲劳扩展是断续的，通过至裂纹前方萌生为裂纹核，且长大和裂纹连接来实现裂纹扩张。（见图517）,图516塑性钝化模型,图517再生核模型,由于疲劳断裂一般是从零件表面应力集中处或材料缺陷处发生的，因此影响疲劳强度因素有内因（材料成分、组织结构、表面状况）及外因（温度、介质、载荷及其加载方式等）。具体参见P133表53可见影响因素多而复杂。,5.6影响疲劳强度的因素(EffectingFactorsoffatiguestrength),一、外因（Externalfactors）1、载荷频率大约在1001000Hz范围内，随着频率f的增大，1增大。而在50170Hz（3000次/min10000次/min）（大多数疲劳试验机加载的范围内），则频率f对1没什么影响。,2、次载锻炼定义：低于疲劳极限的应力称为次载。金属载低于疲劳极限（1）的应力下运行一定次数后，可以提高疲劳极限，这现象也称为次载锻炼（可能是由于次载锻炼可以产生硬化和松弛应力集中）。,3、间隙实际工件工作大多是非连续的（有间隙）当1上运行，间隙会提高14、温度一般规律：T降低，1增大但对某些钢，由于时效硬化温度在200400，或耐热钢，500650之间，所以该范围内1有峰值。,5、平均应力和应力状态当m0时，m增大，1减小。不对称系数min/max增大，1增大。6、过载损伤：同P124裂纹扩展过载停滞现象条件7、腐蚀介质：对疲劳强度有害,二、内因（Internalfactors）1、表面状态凡是能引起表面应力集中的（如：表面粗糙度、表面材料缺陷、表面机器缺陷）均降低疲劳强度(1)。2、构件尺寸一般规律，尺寸增大，疲劳强度(1)减小。,3、表面强化凡是能强化表面（如：喷丸增加表面压应力，表面淬火、表面化学热处理（增加表面强度）均提高疲劳强度(1)。4、合金成分影响比较复杂，凡是能提高钢强韧性的合金元素（如v、Cr、Mo）均可以提高疲劳寿命。,5、晶粒尺寸实验得出：晶粒大小对疲劳强度的影响也存在HallPetch关系，即：1ikd1/2式中i位错运动摩擦阻力d晶粒平均直径。6、夹杂及缺陷夹杂及缺陷（气孔、偏析、白点、过烧、过热等）降低疲劳强度(1).,5.7低周疲劳(Fatigueofshortlife),一、概述(Briefintroduction)定义：疲劳寿命在102105次的疲劳断裂称为低周疲劳。低周疲劳的循环应力较高，往往大于s而发生塑性变形，直到断裂，所以也称塑性疲劳或应变疲劳。如飞机、舰船、桥梁等的断裂有时是低周疲劳造成的,二、特点(Characteristic)1、应力应变之间不再呈直线关系（类似拉伸时塑性段不是直线关系），而产生回线（见图5-18）。2、低周疲劳时，因塑变较大，不能用N曲线而改用tN曲线来描述。,3、疲劳源有多个；4、低周疲劳寿命取决于塑性应变振幅，而高周疲劳寿命取决于应力振幅或应力强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损失的结果。,图5-18低周疲劳应力应变曲线,二、低周疲劳的应变寿命（N）曲线（NCurveoffatiguewithshortlife）1、tN曲线（见图5-19）S.SManson通过对多种金属材料的低周疲劳试验得出t3.5(b/E)Nf0.12ef0.6Nf0.6式中：b抗拉强度E弹性模量ef断裂真实伸长率ef（100/(100)）端面收缩率Nf断裂寿命t总应变振幅等式右侧第一项为e，第二项为p。,图5-19tNf曲线,高、低周疲劳的主要区别在于e和p的相对比例不同，高周疲劳时，弹性振幅e起主导作用，而在低周疲劳时，则塑性振幅p起主导作用。若材料属于高周疲劳，应主要考虑强度。若材料属于低周疲劳，在保证一定强度的基础上，应尽量提高材料的塑性和韧性。,2、pN曲线由于决定低周疲劳寿命主要是塑性振幅p，所以pN曲线变化为:pNfzC式中：z、C为常数z0.20.7C0.51（ef）ef：材料断裂的真实伸长率该式是低周疲劳的基本公式，也是估算材料低周疲劳下的寿命主要公式。注：塑性是提高低周疲劳寿命的关键，而各种表面强化效果不明显。,四、热疲劳（Thermalfatigue）1、定义：构件在由温度变化而产生的循环应力或循环热应力作用下，所发生的疲劳称为热疲劳。若温度与受力综合作用引起的疲劳则称为热机械疲劳。,2、机理：温度差T，造成工件的膨胀（t），从而产生热应力（）：Et当s为塑性变形，应变累积疲劳损伤。热疲劳基本上服从低周应变疲劳规律:热疲劳裂纹是沿表面热应变最大的区域形成的，裂纹源有多个。在循环过程中，有些裂纹源形成主裂纹，垂直表面向深扩展。,3、热疲劳抗力定义：以一