材料力学性能第五章

材料的力学性能,材料与化工学院,第五章金属的疲劳,1850-1860，Whler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。1945年，由Miner提出的线性累计损伤理论问世。1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。1961年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。,前言,材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。,前言,疲劳破坏表现的形式：,机械疲劳外加应力/应变波动造成的。,蠕变疲劳循环载荷与高温联合作用下的疲劳。,热机械疲劳循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。,腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。,前言,1、变动载荷疲劳断裂。,前言,2、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。,第五章材料的疲劳性能,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疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值5.4疲劳过程及机理（简述）5.5影响疲劳强度的主要因素(自学)5.6低周疲劳(自学),5.1金属疲劳现象及特点,一、变动载荷和循环应力二、疲劳现象及特点三、疲劳宏观断口特征,一、变动载荷和循环应力,1、疲劳：变动载荷和应变长期作用累积损伤断裂。2、变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。3、变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。4、变动应力分类：规则周期变动应力(或称循环应力)；无规则随机变动应力。5、循环应力：周期性变化的应力。有正弦波、矩形波和三角波等。最常见的为正弦波。,一、变动载荷和循环应力,6、表征应力循环特征的参量最大循环应力max，最小循环应力min；平均应力m(max+min)/2；应力幅或应力范围：=/2=(max-min)/2；应力比rmin/max。载荷谱：载荷-时间历程曲线,一、变动载荷和循环应力,7、循环应力类型（按应力比和平均应力）：(1)对称循环：m0，r-1。(2)不对称循环：m0，-10，r0或m，0r1。(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。,二、疲劳现象及特点,1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程：变动应力薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂裂纹扩展突然断裂。(2)疲劳破坏：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。(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。,二、疲劳现象及特点,2疲劳破坏的特点：(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。(3)对缺陷具有高度的选择性。(4)可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(低应力疲劳，s)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。,三、疲劳宏观断口特征,1、典型疲劳断口具有3个特征区疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2、疲劳源：(1)多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。(2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。(3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。,三、疲劳宏观断口特征,3、疲劳区：(1)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。(2)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；(3)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。每组贝纹线好像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。,三、疲劳宏观断口特征,4、瞬断区：(1)KKc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂断口粗糙，脆性断口呈结晶状；韧性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。(2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。,5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限二、疲劳图和不对称循环疲劳极限三、抗疲劳过载能力四、疲劳缺口敏感度,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,1850-1860，维勒（Whler）先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了疲劳曲线【应力-寿命图（S-N)】和疲劳极限概念。车轴工作状态是旋转弯曲，因此属于旋转弯曲疲劳。【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。】,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,1、旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(m0，r-1)。(2)测定方法：试样（若干-1,2,3,n）旋转弯曲疲劳试验机；选择最大循环应力max(0.67b0.4b)（1，2，3n）；对每个试样进行循环加载试验,直至断裂；测定应力循环数N(N1,N2,N3Nn)；得到(1,N1),(2,N2)绘制(max)-N(lgN)曲线。,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,2、疲劳S-N曲线其他不对称循环应力,也可作出相应的疲劳曲线，它们统称为S-N曲线，,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,3、金属材料疲劳曲线类型：一类有水平线（典型）r；(材料的疲劳强度或极限)疲劳应力判据：r一类无水平线条件疲劳强度或极限。,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,（二）疲劳曲线的测定升降法和成组法。,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,（三）不同应力状态下的疲劳极限(1)同种材料不同应力状态应力寿命曲线不同疲劳极限也不相同。(2)经验关系式：钢：-1p=0.85-1铸铁：-1p=0.65-1铜及轻合金：-1=0.55-1铸铁：-1=0.80-1(3)同种材料：-1-1p-1。,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,（四）疲劳强度与静强度间关系：,材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。,二、疲劳图和不对称循环疲劳极限,最大循环应力max，最小循环应力min；平均应力m(max+min)/2；应力幅或应力范围：=(max-min)/2；应力比rmin/max以及疲劳极限rmax=r=m+,1.-m疲劳图,max=r=m+在不同应力比r条件下，将max表示的疲劳极限r分解为和m，并在该坐标系中作ABC曲线，则得到-m疲劳图。,OB:r与r的几何关系：,所以只要知道应力比r，代入上式就可求出，在图上作角度的直线，与AC交于点B，即可求出相应r的疲劳极限,1.-m疲劳图,2、max(min)-m疲劳图,(1)脆性材料max(min)-m疲劳图:,AHB曲线就是在不同应力比r下的max值；AEC在不同应力比r下的min值；AO在不同应力比r下的m值。AHB曲线上各点max值即表示由-1-1)下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次。(2)由疲劳曲线倾斜部分确定。(3)材料耐久强度：即过载应力。,三、过载持久值及过载损伤界,2、过载损伤界（偶然过载）(1)过载损伤界:短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，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,(2)过载损伤区：过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。(3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。,四、疲劳缺口敏感度qf,qf=(Kf-1)/(Kt-1)Kt理论应力集中系数；Kf为疲劳缺口系数；Kf=-1/-1N；0qf1;qf随材料强度增高而增大。同时，缺口形状对qf有一定影响。,（1）Kf=Kt，即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，这时缺口降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。（2）Kf=1，-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分布，应力集中效应完全被消除，qf=0，材料的缺口敏感性最小。所以qf值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；低周疲劳时：大多数金属都对缺口不太敏感，这是因为后者缺口根部区域已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。,根据疲劳缺口敏感度评定材料时，可能会出现两种极端情况：,四、疲劳缺口敏感度qf,二、疲劳强度,定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。1、对称循环(r=-1)疲劳强度弯曲(-1)、扭转(-1)、拉压(-1p)等。,5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,疲劳过程是由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展所组成的。亚稳扩展最为重要。,5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,一、疲劳裂纹扩展曲线二、疲劳裂纹扩展速率三、疲劳裂纹扩展寿命的估算,一、疲劳裂纹扩展曲线,(3)预制疲劳裂纹（裂纹长度a0）；(4)循环加载（固定r及）；(5)记录裂纹长度a随N循环增长情况；(6)一定的N对应一定的a，直到断裂；(7)疲劳裂纹扩展（N-a）曲线;(8)疲劳裂纹扩展速率da/dN。,(1)试样（SENB3或CCT或CT）；(2)高频疲劳试验机(疲劳裂纹长度测量装置)；,一、疲劳裂纹扩展曲线,二、疲劳裂纹扩展速率,3、疲劳裂纹扩展速率曲线da/dN-K（lgda/dN-lgK）将a-N曲线上各点的dadN值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来;利用应力强度因子幅(K)公式将相应各点的K值求出，在双对数坐标系上描点连接即得lgda/dN-lgK曲线。,1、疲劳裂纹扩展速率（da/dN）与应力及裂纹尺寸有关。2、应力强度因子幅(K)：,二、疲劳裂纹扩展速率,4、lg(da/dN)-lgK曲线：I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:da/dN=10-810-6mm/周次；区是疲劳裂纹扩展的主要阶段:da/dN=10-510-2mm/周次;Paris公式：da/dN=C(K)n区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。5、疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)：代表疲劳裂纹不扩展的K临界值。da/dN=06、裂纹件不疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：,二、疲劳裂纹扩展速率,7、工程（条件）疲劳门槛值(Kth)：平面应变，da/dN=10-610-7mm/周次所对应的K为Kth。,二、疲劳裂纹扩展速率,8、Paris公式：da/dN=C(K)n,三、疲劳裂纹扩展寿命的估算,定性说明：也称疲劳剩余寿命：初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。无损探伤确定a0、形状、位置、取向确定K；已知KC及确定ac；根据疲劳裂纹扩展速率表达式，计算从a0到ac所需的循环周次N。疲劳裂纹扩展速率表达式常选用Paris公式da/dN=C(K)n,三、疲劳裂纹扩展寿命的估算,二、疲劳裂纹扩展速率,1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN):疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。针对疲劳过程的第阶段。,(3)固定r及；(4)一定的N对应一定的a，直到断裂；（N，a）(5)N-a曲线,2、裂纹长度a和循环周次N的关系曲线：(1)试样（TPB或CCT或CT）；(2)疲劳裂纹长度测量装置；,5.4疲劳过程及机理,一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理（自学）,一、金属材料疲劳破坏机理,分为三个主要阶段：1、疲劳裂纹形成，2、疲劳裂纹扩展，3、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。,1、疲劳微裂纹的形成,疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界处开裂。在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。,循环滑移带的持久性：疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(PersistSlipBand)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以