第四章 材料的疲劳PPT课件

.,1,第四章材料的疲劳,.,2,问题的提出：1）许多工程结构在服役时承受变动载荷（如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）2）在机械零件断裂失效中有80以上属于疲劳破坏3）疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度的变动应力条件下，并且破坏前不发生明显塑性变形，难以检测和预防因此：研究材料的疲劳性能有重要意义,.,3,外加变动载荷造成的机械疲劳变动载荷与高温联合作用引起的蠕变-疲劳机件温度变化和应力交变导致的热疲劳存在侵蚀性介质的环境中施加变动载荷引起的腐蚀疲劳两个部件循环接触引起的磨损疲劳,定义疲劳：工件在应力和应变长期反复作用下发生损伤和断裂的现象。,.,4,分类：(1)按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳(2)按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳(3)按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法,.,5,1、疲劳概述,1.1变动载荷（应力）：载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载荷（应力）可分为：周期变动；随机变动,.,6,周期变动应力：（a）（b）（c），循环应力或交变应力。火车车轴和曲轴轴颈上的一点在运转过程中所受的力。随即变动应力：（d），如飞机、汽车上的零件。,.,7,一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。应力每重复变化一次的过程，称为一个应力循环，完成一个应力循环所需的时间称为一个周期，用T表示。表征应力循环特征的参量有：最大（最小）循环应力max；min平均应力m=(max+min)/2应力半幅a=/2=(max-min)/2应力比r=min/max（表征变动的不对称程度）,.,8,（a）m=0，r=-1时，为对称循环。大多数旋转轴类零件承受此类应力。（b）-（d）非对称载荷，m0,.,9,（b）m=a0，r=0时，拉应力脉动循环，压力容器；（c）m=aa，0-1P-1应力状态对疲劳极限有影响,例如：-1P=0.85-1（钢）-1P=0.65-1（铸铁）-1=0.55-1（钢）-1=0.8-1（铸铁）,.,32,载荷频率对疲劳极限的影响,f170Hz，疲劳极限提高f103Hz，疲劳极限降低,.,33,强度和疲劳极限的关系,一般可以根据材料的静强度估算疲劳极限。存在关系：抗拉强度越高，疲劳极限越高。对结构钢：-1P=0.23（s+b）；-1=0.27（s+b）对铸铁：-1P=0.4b；-1=0.45b对铝合金：-1P=0.17b+7.5；-1=0.17b-7.5对青铜：-1=0.21b疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、细化晶粒和组织等强化方法可以提高材料的疲劳极限。,.,34,大多数机械零件所承受载荷属于非对称循环应力。考虑平均应力、应力幅、应力比,（2）非对称应力循环下的疲劳极限,应力比提高，疲劳极限和疲劳寿命增长!,.,35,平均应力提高，疲劳极限和疲劳寿命减小!,.,36,2.3疲劳过载,有时要求机件在高于疲劳极限的应力状态下工作。偶尔短时过载：汽车的紧急刹车或猛然起动无无限寿命要求：飞机的起落架需要研究材料过载下的疲劳寿命,.,37,（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材料的过载持久值。有限疲劳寿命,特点：由疲劳曲线倾斜部分确定，曲线倾斜得越陡直，持久值越高，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。,.,38,Basqiin发现应力幅与载荷反向数（循环次数）的经验关系式,f为疲劳强度系数，对于大多数金属，非常接近于经过颈缩修正的单向拉伸真实断裂强度。b为疲劳强度指数，对大多数金属，其值在-0.05-0.12之间。,循环应力福与寿命的双对数成一直线！,.,39,（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？可能产生影响过载损伤！材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，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,.,40,选定三级过载应力水平，在每一级应力水平下选取多个试样，进行不同周次的过载循环，然后再在疲劳极限的应力下运转，考察是否影响了疲劳寿命。若疲劳寿命降低，说明过载周次已超过损伤界。反复试验后可以较为准确的确定该级应力水平下的损伤周次。再确定另外两级应力水平下的损伤界。将三点连接得到了损伤界。,过载损伤界到疲劳曲线间的影线区称为材料的过载损伤区,过载损伤界完全由试验测得,.,41,过载应力-周次组合一旦落入此区，则会产生过载损伤，造成材料疲劳极限降低或疲劳寿命降低。,过载损伤界越陡直，损伤区越窄，其抵抗疲劳过载的能力越强。工业上需要考虑过载损伤区！,.,42,（3）疲劳损伤累积,工程上许多构件承受变幅载荷，甚至随机变动载荷，要估算疲劳寿命？疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论基本假设：在高应力下，每循环一次就使材料产生一定量的损伤，随循环次数增加，损伤逐步累积，当累积达到一临界值时，材料便发生疲劳断裂。,.,43,P-M理论：在同一级应力水平下，每次循环产生的损伤是相同的，在该级应力水平下所产生的损伤与在该级应力水平下循环的次数成反比。如：试样损伤达到D则断裂，即每次循环产生的损伤为D/N。,试样先在循环应力1下循环n1次。损伤累积为Dn1/N1。再在循环应力下2循环n2次断裂。损伤累积为Dn2/N2.,.,44,则有,多级应力,P-M理论,注：P-M理论近似正确。但是它不考虑高、低载荷加载次序的影响。实际上，疲劳寿命应受到加载顺序的影响。试验发现：低-高载荷加载次序下及较光滑无缺陷的试样中，此值一般1高-低载荷加载次序下及带缺口试样中，此值一般1;Kf为疲劳缺口系数,.,50,Kf:疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比Kf1,与缺口几何形状和材料有关当Kf=1时，-1=-1N，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重新分布，应力集中完全消除。此时qf趋近于零，材料对疲劳缺口完全不敏感Kf=Kt时，即缺口试样疲劳过程中的应力分布与非疲劳状态下试样的应力分布完全一样，没有发生应力重新分布，此时qf=1，材料对缺口十分敏感qf可以反映疲劳过程中材料发生应力重分布的能力，即降低应力集中的能力。,.,51,1qf0，越大，缺口敏感度越高。qf随材料强度增高而增大结构钢：=0.60.8球墨铸铁：=0.110.25灰铸铁：=00.05低周疲劳的缺口敏感度一般小于高周疲劳，因为低周疲劳应力较高，缺口根部一部分已处于塑性区，降低了应力集中效应。,.,52,2.5低周疲劳2.6疲劳裂纹扩展速率,低周疲劳的特点构件的总寿命=裂纹萌生Ni+裂纹扩展寿命Np不讲,.,53,3、疲劳的微观过程,疲劳的微观过程主要包括疲劳裂纹的萌生和疲劳裂纹的扩展两个阶段。,构件的总寿命=裂纹萌生Ni+裂纹扩展寿命Np,.,54,起初位错密度很低10次循环后，位错密度显著增加，分布较均匀100次以后，位错密度进一步增加，分布逐渐不均匀，呈带状分布循环次数进一步增加，位错密度增加缓慢，位错分布更加不均匀最终位错密度趋于稳定，位错分布稳定。,3.1循环变形金属在低于弹性极限的交变应力作用下，虽然整体仍处于宏观弹性状态，但在某些部位，如表面、内部界面、夹杂物、应力集中区等微观结构不均匀处已发生塑性变形。,.,55,循环变形与单调加载时位错滑移完全不同。单调加载时，随着载荷的不断增加，滑移可以传播至整个晶粒和整个金属内部。循环应力下，滑移只在一些晶粒的局部区域发生。,位错稳定结构与循环幅度相关：循环幅度较小时为带状结构循环幅度较大时为胞状结构,.,56,将纯铜的疲劳试样表面抛光，而后在疲劳循环过程中观察试样表面。滑移线逐渐出现、增多，形成滑移带循环次数增加，已形成的滑移带变宽、滑移带内德滑移线变密，而没有出现新的滑移带。这种不均匀的局部滑移只发生在某些晶粒内。,位错排列成高密度的位错墙，墙之间为低位错密度的基体。,如把试样抛光和疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复出现在原有位置，称为驻留滑移带。,.,57,3.2疲劳裂纹的萌生,1）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2）定义裂纹长度为0.050.10mm时为裂纹疲劳核，对应的循环周期为裂纹萌生期3）低应力时，疲劳裂纹萌生寿命可占总寿命的大半,.,58,疲劳裂纹形核方式由不均匀滑移和显微开裂引起1）表面滑移带开裂2）气泡、孔洞本身开裂3）晶界开裂疲劳微裂纹形成的三种形式,.,59,1、表面疲劳裂纹萌生疲劳裂纹一般易产生在自由表面,1）扭转疲劳、弯曲疲劳时都是表面应力最大。2）实际表面存在缺陷的几率较大，如划痕、缺口等，易为应力集中区域。3）自由表面晶粒受约束较小，更易发生塑性变形。4）自由表面与大气接触，因此，表面晶粒受环境影响最大。,.,60,疲劳裂纹一般易产生在自由表面1、表面状态对疲劳极限和寿命有很大影响表面越光滑，可作为表面缺口而引起应力集中的部位越少，疲劳性能越好制作高强度循环应力零件，表面需要精加工。2、可采用表面强化方式提高寿命：如喷丸、滚压、表面热处理、表面镀层等。,.,61,表面滑移带开裂解释驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹,金属表面“挤出”与“侵入”并形成裂纹,.,62,挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型）交叉滑移模型,.,63,2、内部疲劳裂纹萌生,1）相界面开裂产生裂纹孔洞、气泡等宏观缺陷本身就类似裂纹，引发应力集中，萌生裂纹；第二相，夹杂物与基体界面开裂或夹杂物本身开裂都会使疲劳裂纹萌生。只有降低第二相的脆性，提高相界面强度，控制第二相或者夹杂物的数量、大小、形态及其分布，才能抑制相界面开裂产生裂纹，提高疲劳抗力。,.,64,2）晶界开裂产生裂纹晶界的存在和相邻晶界的取向性不同，会阻碍基体位错运动，造成位错塞积，引发应力集中。在应力不断循环下，晶界处的应力得不到松弛，应力峰越来越高，超过晶体强度时就会产生晶界处裂纹，使得晶界开裂。故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易产生晶界裂纹，降低疲劳抗力。所以晶界强化、净化和细化晶粒等手段，均能抑制晶界处裂纹形成，提高疲劳抗力。,.,65,3.3疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展大致经历两个阶段,第一阶段：疲劳裂纹沿最大切应力方向（与主应力呈45）向晶内扩展，并逐渐转向与拉应力垂直。第二阶段：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。,.,66,第一阶段时萌生的微裂纹数可能很多，并沿最大切应力方向扩展，但是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25个晶粒)长。总体裂纹扩展速率较低，扩展深度也小。这一阶段在疲劳总寿命中所占比例与循环应力幅有关应力幅越大，第一阶段所占比例越小应力幅越小，第一阶段所占比例越大第一阶段循环裂纹扩展量很小，所以微观断口上无明显特征。一般认为，第一阶段是在交变应力下裂纹沿特定滑移面反复滑移塑性变形产生新表面的过程。,.,67,第二阶段，由拉应力控制，沿着垂直于拉应力方向扩展形成主裂纹，穿晶扩展，速度很快，显微特征：在断口上可以观察到平行排列的条带疲劳条带。疲劳条带（疲劳辉纹）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直（疲劳断口最典型的微观特征）对韧性材料：韧性条带对脆性材料：脆性条带,.,68,疲劳条带（a）韧性条带1000（b）脆性条带600,.,69,4、影响疲劳强度的因素,一：工作条件1：载荷条件：应力状态、平均应力、应力比、载荷频率过载将降低疲劳强度和寿命次载锻炼，可提高疲劳强度间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度,.,70,2：温度：温度升高，疲劳强度降低；温度降低，疲劳强度升高3：腐蚀介质：使材料产生蚀坑，降低疲劳强度,.,71,二：表面状态和尺寸因素1：表面状态表面缺口导致应力集中，形成疲劳源，引起疲劳断裂2：尺寸因素尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效应）,.,72,三：表面强化和残余应力提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表