材料性能学,ppt课件

1、1第五章第五章 资料的疲劳性能资料的疲劳性能河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院2022-4-12河海大学机电工程学院The dog equally study, the gentleman equally plays.中国就有这么一群奇异的人，本身是最低阶层，中国就有这么一群奇异的人，本身是最低阶层，利益每天都在被损害，却具有统治阶级的认识。利益每天都在被损害，却具有统治阶级的认识。在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不能够。在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不能够。 林语堂林语堂 (1895-1976)2022-4-122复复 习习应力强度因子应力强度因子KI断裂韧度断裂韧度KIc影响资

2、料断裂的要素影响资料断裂的要素特殊改性处置提高断裂韧度的方法特殊改性处置提高断裂韧度的方法32022-4-12河海大学机电工程学院本章主要内容本章主要内容引见资料的疲劳破坏的特征、机理、资引见资料的疲劳破坏的特征、机理、资料疲劳性能的测定、影响资料或机件疲料疲劳性能的测定、影响资料或机件疲劳性能的要素以及提高资料或机件疲劳劳性能的要素以及提高资料或机件疲劳性能的措施。性能的措施。重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的测定方法和影响资料或机件疲劳性能的测定方法和影响资料或机件疲劳性能的要素。要素。2022-4-12河海大学机电工程学院4第一节第一节 疲劳破坏的普通规

3、律疲劳破坏的普通规律什么是疲劳？什么是疲劳？变动载荷是？变动载荷是？5工件在变动载荷和应变的长期作用下，因积累损伤工件在变动载荷和应变的长期作用下，因积累损伤而引起的断裂景象。而引起的断裂景象。载荷大小、方向随时间变化的载荷载荷大小、方向随时间变化的载荷.2022-4-12河海大学机电工程学院6变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。l规那么周期变动应力；规那么周期变动应力；l循环应力循环应力l无规那么随机变动应力无规那么随机变动应力2022-4-12河海大学机电工程学院变动应力的各类情况：变动应力的各类情况：循环应力循环应力表征循环应力特征的参量：表征

4、循环应力特征的参量：72022-4-12河海大学机电工程学院 8循环应力的类型：循环应力的类型：循环应力循环应力对称循环：对称循环：不对称循环：不对称循环：脉动循环：脉动循环：动摇循环：动摇循环：随机变动应力：随机变动应力：m 0，r 1m 0， 1 r 1m a 0， r 0； m a 0， r m a ， 0 r 12022-4-12河海大学机电工程学院疲劳破坏的概念疲劳破坏的概念疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程疲劳寿命疲劳寿命9在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹，且引起裂在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹，且引起裂纹的扩展，当裂纹扩展到一定程度后发生忽然断裂。纹的扩展，当裂纹扩展到一定程

5、度后发生忽然断裂。疲劳破坏过程：从部分区域开场的损伤积累，最终疲劳破坏过程：从部分区域开场的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。引起整体破坏的过程。裂纹萌生和扩展过程：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、裂纹萌生和扩展过程：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区瞬时断裂区机件在疲劳失效前的任务时间次数。机件在疲劳失效前的任务时间次数。主要影响要素：循环应力主要影响要素：循环应力2022-4-12河海大学机电工程学院疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点与静载、一次性冲击加载比较：与静载、一次性冲击加载比较：疲劳的分类：疲劳的分类：10脆性断裂脆性断裂潜藏的、突发性破坏潜藏的、突发性破坏(疲劳破坏前无塑性变形、呈脆性断裂疲

6、劳破坏前无塑性变形、呈脆性断裂)低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂有寿命的断裂有寿命的断裂应力形状：弯曲疲劳、改动疲劳、拉压疲劳、接触疲劳；应力形状：弯曲疲劳、改动疲劳、拉压疲劳、接触疲劳；应力高低和断裂寿命：应力高低和断裂寿命： 高周疲劳低应力疲劳，高周疲劳低应力疲劳，N105，=s 2022-4-12河海大学机电工程学院对缺陷非常敏感：对缺陷非常敏感：缺口、裂纹缺口、裂纹 应力集中；应力集中；组织缺陷组织缺陷 降低部分强度。降低部分强度。疲劳断口的宏观特征疲劳断口的宏观特征三个特征区：三个特征区：疲劳源疲劳源 光亮光亮来源：缺口、裂纹；冶金缺陷；数目：应力来源：缺口、裂纹；冶金缺陷；数目

7、：应力大小大小疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 光滑且分布有贝纹线光滑且分布有贝纹线贝纹线外形凹、凸、贝纹线间距、贝纹贝纹线外形凹、凸、贝纹线间距、贝纹线范围线范围瞬断区瞬断区脆性资料：结晶状；脆性资料：结晶状；韧性资料：放射状或人字纹状，并有剪切唇韧性资料：放射状或人字纹状，并有剪切唇位置：疲劳源对侧；大小位置：疲劳源对侧；大小(名义应力、资料名义应力、资料韧脆性韧脆性)112022-4-12河海大学机电工程学院疲劳裂纹萌生的策源地，多在外表疲劳裂纹萌生的策源地，多在外表122022-4-12河海大学机电工程学院第二节第二节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理疲劳过程：疲劳过程： 疲劳裂纹萌生、裂纹亚

8、稳扩展、裂纹疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、裂纹失稳扩展失稳扩展疲劳裂纹的萌生：疲劳裂纹的萌生： 在资料的薄弱区和高应力区，经过不在资料的薄弱区和高应力区，经过不均匀滑移、微裂纹构成和长大而完成。均匀滑移、微裂纹构成和长大而完成。疲劳裂纹核：疲劳裂纹核： 普通普通0.050.10mm的裂纹的裂纹裂纹萌生期：裂纹萌生期： 构成裂纹疲劳核的循环周期构成裂纹疲劳核的循环周期2022-4-12河海大学机电工程学院13疲劳微裂纹的方式：疲劳微裂纹的方式：2022-4-12河海大学机电工程学院14外表滑移带开裂外表滑移带开裂;第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂;晶

9、界或亚晶界开裂。晶界或亚晶界开裂。循环滑移带循环滑移带循环应力循环应力驻留滑移带驻留滑移带挤出脊挤出脊 侵入沟侵入沟1不均匀滑移；不均匀滑移；2显微开裂显微开裂.疲劳裂纹的扩展：疲劳裂纹的扩展：2022-4-12河海大学机电工程学院15第第阶段：沿最大切应力方向阶段：沿最大切应力方向扩展速度极慢、扩展总量小扩展速度极慢、扩展总量小第第阶段：沿垂直拉应力方向阶段：沿垂直拉应力方向穿晶扩展穿晶扩展扩展速度随循环周次添加而添加扩展速度随循环周次添加而添加疲劳断口最典型的微观特征：疲劳断口最典型的微观特征：疲劳条带疲劳条带略微弯曲并相互平行的沟槽状略微弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。花

10、样，与裂纹扩展方向垂直。脆性疲劳条带脆性疲劳条带韧性疲劳条带韧性疲劳条带相互平行的弧状条纹相互平行的弧状条纹有有有有解理台阶的河流花样，解理台阶的河流花样，大致垂直于疲劳条带大致垂直于疲劳条带有有无无2022-4-12河海大学机电工程学院16疲劳条带和贝纹线的区别：疲劳条带和贝纹线的区别：疲劳断口的微观、宏观特征；疲劳断口的微观、宏观特征；相邻贝纹线间能够有许多疲劳条带；相邻贝纹线间能够有许多疲劳条带；既可同时出现，也可不同时出现。既可同时出现，也可不同时出现。2022-4-12河海大学机电工程学院17疲劳条带的特点：疲劳条带的特点：滑移系多的面心立方金属中，较明显；滑移系多的面心立方金属中，

11、较明显；滑移系较少或组织形状复杂的钢铁资料中，常短滑移系较少或组织形状复杂的钢铁资料中，常短窄而紊乱窄而紊乱第三节第三节 疲劳抗力目的疲劳抗力目的疲劳强度疲劳强度过载耐久值过载耐久值疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度疲劳裂纹扩展速度疲劳裂纹扩展速度2022-4-12河海大学机电工程学院18从从0.67b到到0.4b选择几选择几个等级的应力程度，个等级的应力程度，1、2、n，测定每个，测定每个应力程度的试样从加载到断应力程度的试样从加载到断裂所需的循环次数裂所需的循环次数N1、N2、Nn。绘制成绘制成N曲线。曲线。 疲劳实验方法疲劳实验方法2022-4-12河海大学机电工程学院19临界应力临界应力-1

12、疲劳强度疲劳强度-1： -1为无限寿命的疲劳应力判据。为无限寿命的疲劳应力判据。非对称循环应力的疲劳强度非对称循环应力的疲劳强度 r金属资料的疲劳曲线金属资料的疲劳曲线类型：有程度线；无程度线类型：有程度线；无程度线当循环应力小于一临界值当循环应力小于一临界值时，试样不会断裂。这个时，试样不会断裂。这个临界值就定义为资料的疲临界值就定义为资料的疲劳强度，记作劳强度，记作r。此时，。此时，-N曲线呈程度线。曲线呈程度线。当载荷应力当载荷应力 r时，工时，工件不会发生疲劳断裂，以件不会发生疲劳断裂，以为是无限寿命。为是无限寿命。2022-4-1220河海大学机电工程学院二、疲劳强度二、疲劳强度疲劳

13、曲线类型：疲劳曲线类型：无限疲劳寿命无限疲劳寿命:有程度线，有程度线，如构造钢和球墨铸铁等如构造钢和球墨铸铁等；有限疲劳寿命有限疲劳寿命:没有程度线没有程度线，如有色金属、不锈钢，如有色金属、不锈钢和高强度钢。和高强度钢。 根据资料运用要求，测根据资料运用要求，测定定N=106、107或或108有限有限寿命的疲劳强度。寿命的疲劳强度。同一资料在不同的实验环同一资料在不同的实验环境下，会有不同的疲劳境下，会有不同的疲劳曲线。曲线。 2022-4-1221河海大学机电工程学院疲劳强度疲劳强度定义：定义：在指定疲劳寿命下，资料能接受的上限循环在指定疲劳寿命下，资料能接受的上限循环应力。应力。对称循环

14、疲劳强度对称循环疲劳强度对称弯曲对称弯曲-1 ；对称改动；对称改动-1 ；对称拉压；对称拉压-1p不对称循环疲劳强度不对称循环疲劳强度max(min)m疲劳图疲劳图2022-4-12河海大学机电工程学院22最常用最常用机件接受不对称循环载荷，设计时如何选材？实际上可以模机件接受不对称循环载荷，设计时如何选材？实际上可以模拟实验测定，实践上很难实现。拟实验测定，实践上很难实现。普通采用作图法，求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。普通采用作图法，求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。B、C点：点：-1A点：点：bH点：点：0AHB曲线为曲线为max，AEC曲线为曲线为min。图表示了图表示了r =

15、-11各种各种形状下的疲劳强度。形状下的疲劳强度。2022-4-1223河海大学机电工程学院求不对称循环疲劳强度求不对称循环疲劳强度疲劳图疲劳图A点表示静拉伸；点表示静拉伸；B点表示对称载荷点表示对称载荷AHB线上一点与原点线上一点与原点O的的连线与横坐标夹角连线与横坐标夹角存在存在以下关系：以下关系：根据知根据知r，求得，求得，用作图，用作图法求出在法求出在AHB上的点，即上的点，即max 。2022-4-1224河海大学机电工程学院求不对称循环疲劳强度求不对称循环疲劳强度疲劳图疲劳图适用于脆性资料适用于脆性资料最早的疲劳图中，最早的疲劳图中，AHB和和AEC是直线。是直线。Gerber建议

16、将建议将AHB改为抛物线，即：改为抛物线，即：2022-4-1225河海大学机电工程学院对于塑性资料：对于塑性资料：B点：点：-1A点：点：sH点：点：0只需知道只需知道-1、s，再测定，再测定一个一个0，就可以绘制出，就可以绘制出塑性资料的疲劳图。塑性资料的疲劳图。疲劳图可以计算出不同循疲劳图可以计算出不同循环应力形状的疲劳强度。环应力形状的疲劳强度。2022-4-1226河海大学机电工程学院弯曲、改动和抗压疲劳强度存在以下阅历关系弯曲、改动和抗压疲劳强度存在以下阅历关系 对称拉压疲劳强度对称拉压疲劳强度-1p 对称改动疲劳强度对称改动疲劳强度-1 对称弯曲疲劳强度对称弯曲疲劳强度-1 同种

17、资料的疲劳强度：同种资料的疲劳强度：这些阅历公式有一定误差，约这些阅历公式有一定误差，约1030%。 弯曲时，试样截面上应力分布不均匀，外表应力最弯曲时，试样截面上应力分布不均匀，外表应力最大，仅外表层产生疲劳损伤；大，仅外表层产生疲劳损伤；拉压时，试样截面的应力分布均匀，整个截面都有拉压时，试样截面的应力分布均匀，整个截面都有能够疲劳损伤；能够疲劳损伤；改动时，切应力大，比变动拉应力更易使资料发生改动时，切应力大，比变动拉应力更易使资料发生滑移，产生疲劳损伤。滑移，产生疲劳损伤。2022-4-12河海大学机电工程学院27疲劳强度与静强度之间的关系疲劳强度与静强度之间的关系资料的抗拉强度越大，

18、其疲劳强度也越资料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大大中低强度钢，疲劳强度与抗拉强度呈线中低强度钢，疲劳强度与抗拉强度呈线形关系形关系对于高强度资料，塑性和断裂韧性降低对于高强度资料，塑性和断裂韧性降低，裂纹易于构成和扩展，线性关系被改，裂纹易于构成和扩展，线性关系被改动。动。2022-4-12河海大学机电工程学院28三、过载耐久值及过载损伤界三、过载耐久值及过载损伤界实践服役过程中机件不可防止地会遭到偶尔的实践服役过程中机件不可防止地会遭到偶尔的过载作用，如紧急刹车、忽然启动等。过载作用，如紧急刹车、忽然启动等。有的机件不需求无限寿命，如按疲劳强度来设有的机件不需求无限寿命，如按疲劳强度来设计

19、就不合理了。计就不合理了。 1、过载耐久值、过载耐久值资料在高于疲劳强度的应力下任务，发生疲劳资料在高于疲劳强度的应力下任务，发生疲劳断裂的循环周次称为资料的过载耐久值，也称断裂的循环周次称为资料的过载耐久值，也称为资料的有限疲劳寿命。为资料的有限疲劳寿命。过载耐久值表征了抗过载才干，由疲劳曲线倾过载耐久值表征了抗过载才干，由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜越陡，耐久值就越高。斜部分确定。曲线倾斜越陡，耐久值就越高。2022-4-1229河海大学机电工程学院过载耐久值及过载损伤界过载耐久值及过载损伤界过载耐久值，有限疲劳寿命过载耐久值，有限疲劳寿命资料在高于疲劳强度的一定应力下任务，发资料在高于

20、疲劳强度的一定应力下任务，发生疲劳断裂的应力循环周次生疲劳断裂的应力循环周次疲劳曲线的倾斜部分确定疲劳曲线的倾斜部分确定过载应力，资料耐久强度过载应力，资料耐久强度过载损伤界过载损伤界短期过载对资料性能的影响，过载应力和过短期过载对资料性能的影响，过载应力和过载周次载周次把每个过载应力下运转能引起损伤的最少循把每个过载应力下运转能引起损伤的最少循环周次衔接起来就得到资料的过载损伤界。环周次衔接起来就得到资料的过载损伤界。过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，过载损过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，过载损伤区。伤区。2022-4-12河海大学机电工程学院30 2、过载损伤界、过载损伤界实践机件往往受短期

21、实践机件往往受短期过载，如启动。过载，如启动。过载对疲劳强度的影过载对疲劳强度的影响取决于过载应力大响取决于过载应力大小和过载周次。小和过载周次。把不同过载应力下引把不同过载应力下引起损伤的最小循环周起损伤的最小循环周次衔接起来就得到资次衔接起来就得到资料的过载损伤界。料的过载损伤界。2022-4-1231河海大学机电工程学院过载循环周次离疲劳曲线过载循环周次离疲劳曲线越近，对疲劳强度或寿命越近，对疲劳强度或寿命的损伤越大；应力越高，的损伤越大；应力越高，开场发生过载损伤的循环开场发生过载损伤的循环周次就越少。周次就越少。界限越陡，区域越窄，资界限越陡，区域越窄，资料抵抗疲劳过载的才干就料抵抗

22、疲劳过载的才干就越强。越强。宁可选用宁可选用-1低一些，也低一些，也要选过载区窄的资料。要选过载区窄的资料。2022-4-1232河海大学机电工程学院四、疲劳缺口敏感性四、疲劳缺口敏感性静载时，应力集中使部分应力超越资料的屈服强静载时，应力集中使部分应力超越资料的屈服强度产生塑性变形。只需资料有足够的塑性，缺口度产生塑性变形。只需资料有足够的塑性，缺口呵斥的应力集中作用就不明显；只需塑性变形不呵斥的应力集中作用就不明显；只需塑性变形不太大，就不会产生多大的影响。太大，就不会产生多大的影响。动载时，零件接受的应力程度远低于屈服极限，动载时，零件接受的应力程度远低于屈服极限，应力集中难以发生明显的

23、塑性变形，但在交变应应力集中难以发生明显的塑性变形，但在交变应力的作用下裂纹却不断扩展。力的作用下裂纹却不断扩展。变动载荷下，缺口的影响远比静载时大。变动载荷下，缺口的影响远比静载时大。2022-4-1233河海大学机电工程学院 疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感性缺口敏感性用疲劳缺口敏感度缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示：来表示：2022-4-1234河海大学机电工程学院疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度qfKt实际应力集中系数，实际应力集中系数，1 。Kf疲劳缺口系数，为光滑试样和缺口试样疲疲劳缺口系数，为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比劳强度之比, 1表示资料在变动应力作用下的缺口敏感性。表示资料在

24、变动应力作用下的缺口敏感性。2022-4-12河海大学机电工程学院35疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感性 当当Kf =1时，时，qf为零，表示为零，表示资料对缺口完全不敏感。资料对缺口完全不敏感。Kf = Kt时，时，qf =1，表示资，表示资料对缺口非常敏感。料对缺口非常敏感。普通普通qf随着资料强度的添加随着资料强度的添加而增大：而增大： 构造钢：构造钢：qf=0.60.8 球铁：球铁： qf=0.150.25 灰铸铁：灰铸铁：qf=00.05 2022-4-1236河海大学机电工程学院五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值在一定应力比在一定应力比r和应力幅和应力幅条件下，试样

25、经条件下，试样经N次次循环后，测裂纹长度循环后，测裂纹长度a。作出作出aN的关系曲线。的关系曲线。当裂纹长大到临界当裂纹长大到临界ac时时，裂纹失稳扩展，试样，裂纹失稳扩展，试样断裂。断裂。 2022-4-1237河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率曲线斜率曲线斜率da/dN就是疲就是疲劳裂纹的扩展速率，劳裂纹的扩展速率，随裂纹的扩展，随裂纹的扩展， da/dN不断增大。不断增大。da/dN与裂纹尺寸与裂纹尺寸a和和应力幅应力幅 有关。有关。疲劳裂纹扩展速率是疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹亚稳扩展指疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率，是裂纹阶段的速率，是裂纹扩展的第二阶段。扩展的第二阶段

26、。 疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率2022-4-1238河海大学机电工程学院 疲劳裂纹扩展的门槛值疲劳裂纹扩展的门槛值引入应力强度因子幅引入应力强度因子幅KI的概念，可将的概念，可将a和和的结合在一同：的结合在一同： KI是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的力学参是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的力学参量。量。maxminmaxminIKKKYaYaYa2022-4-1239河海大学机电工程学院对对aN曲线中的每个点：曲线中的每个点：计算出计算出KI求出求出da/dN值值作出作出lg(da/dN)lgKI曲线。曲线。 2022-4-1240河海大学机电工程学院maxminmaxminI

27、KKKYaYaYalg(da/dN) lgKI曲线。曲线。 2022-4-1241河海大学机电工程学院曲线分曲线分3区段：区段：区是疲劳裂纹的初始扩展阶段，区是疲劳裂纹的初始扩展阶段， da/dN很小，约很小，约10-8 10-6 mm/周周次次区疲劳裂纹扩展的主要阶段，随着区疲劳裂纹扩展的主要阶段，随着KI值添加，值添加， da/dN快速添加快速添加区区da/dN急剧添加，资料失稳断裂急剧添加，资料失稳断裂Kth代表裂纹不扩展的代表裂纹不扩展的KI临界值临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 表征资料阻止疲劳裂纹开场扩展的才干。表征资料阻止疲劳裂纹开场扩展的才干。2022

28、-4-1242河海大学机电工程学院区是疲劳裂纹的主要扩展阶段区是疲劳裂纹的主要扩展阶段，占整个扩展寿命的绝大部分。，占整个扩展寿命的绝大部分。 该区该区da/dN约约10-510-2mm/周周次。次。da/dN与与KI 的关系为：的关系为： da/dN = C(KI)n 该式称为该式称为Paris公式。公式。C、n为资料常数。为资料常数。该区裂纹扩展进程较快，该区裂纹扩展进程较快，KI的的变化范围大，占扩展寿命也较长变化范围大，占扩展寿命也较长2022-4-1243河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的运用疲劳裂纹扩展门槛值的运用 裂纹体不发生疲劳裂纹扩展的条件是：裂纹体不发生疲劳裂纹扩展的

29、条件是： 在在Kth、a三个参量中，只需知道两个三个参量中，只需知道两个就可以求出第三个，就可以求出第三个， Kth是资料的特性参量。是资料的特性参量。知知Kth、a，求出该件在无限疲劳寿命的承载，求出该件在无限疲劳寿命的承载才干：才干：知知Kth、，求出允许的裂纹尺寸：，求出允许的裂纹尺寸： IthKYaK thKYa2()thKYa2022-4-1244河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的运用疲劳裂纹扩展门槛值的运用 实践很难测定实践很难测定da/dN =0时的时的Kth值。工程上常值。工程上常规定平面应变形状下，规定平面应变形状下， da/dN =10-6 10-7mm /周次时对应

30、的周次时对应的KI值为值为Kth，并称之为条件，并称之为条件疲劳裂纹扩展门槛值。疲劳裂纹扩展门槛值。大多数金属资料的大多数金属资料的Kth值很小，约为值很小，约为(510%) KIC。如钢。如钢Kth 9MPa.m1/2、铝合金、铝合金Kth 4MPa.m1/2。2022-4-1245河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值的运用疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值的运用 用用Paris公式计算疲劳剩余寿命公式计算疲劳剩余寿命 00()()ccnndaIdNaadaC YaaaCKNdN2022-4-1246河海大学机电工程学院复习复习疲劳破坏的特点是什么？疲劳破坏的特点是什么？疲劳破坏的宏观

31、断口特征；微观断口特征疲劳破坏的宏观断口特征；微观断口特征；韧、脆资料在微观断口特征上的差别？；韧、脆资料在微观断口特征上的差别？疲劳抗力目的有哪些？疲劳抗力目的有哪些？疲劳强度？疲劳强度？过载耐久值？过载耐久值？疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度qf ？疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值Kth ？疲劳寿命？疲劳寿命？2022-4-12河海大学机电工程学院47作图：不对称循环疲劳强度作图：不对称循环疲劳强度某种铸铁的某种铸铁的b为为450MPa，现测得它的对，现测得它的对称弯曲疲劳强度称弯曲疲劳强度-1为为200MPa，请问在，请问在应力比应力比r为为1/3时该资料的不对称循环疲劳时该资料的不对称

32、循环疲劳强度是多少？知强度是多少？知tan56.3 1.52022-4-12河海大学机电工程学院48第四节第四节 影响资料疲劳强度的要素影响资料疲劳强度的要素 工作条件工作条件表面状态及表面状态及尺寸因素尺寸因素表面处理及表面处理及表面强化表面强化材料因素材料因素应力状态应力状态应力比应力比过载情况过载情况平均应力平均应力载荷频率载荷频率环境温度环境温度环境介质环境介质尺寸效应尺寸效应表面粗糙度表面粗糙度缺口效应缺口效应表面喷丸表面喷丸表面滚轧表面滚轧表面热处理表面热处理表面涂层表面涂层化学成分化学成分组织结构组织结构纤维方向纤维方向内部缺陷内部缺陷2022-4-1249河海大学机电工程学院一

33、、任务条件的影响一、任务条件的影响1、载荷条件、载荷条件1应力形状、平均应力应力形状、平均应力和应力比的影响。和应力比的影响。2次载锻炼：在低于疲次载锻炼：在低于疲劳强度应力下先运转一劳强度应力下先运转一定时间，可提高资料的定时间，可提高资料的疲劳强度。新机器先空疲劳强度。新机器先空运转或低速运转一定时运转或低速运转一定时间，既能跑合又能提高间，既能跑合又能提高零部件的疲劳寿命。零部件的疲劳寿命。 2022-4-1250河海大学机电工程学院3在过载损伤区内的过载将降低疲劳强度。在过载损伤区内的过载将降低疲劳强度。4间歇效应：对应变时效资料，在循环加载运间歇效应：对应变时效资料，在循环加载运转中

34、，假设间隙空载一段时间或间隙时适当加转中，假设间隙空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强度或延伸疲劳寿命。温，可提高疲劳强度或延伸疲劳寿命。5载荷频率：在一定频率范围载荷频率：在一定频率范围1701000 Hz内，资料的疲劳强度随加载频率的提高而提内，资料的疲劳强度随加载频率的提高而提高。在常用的频率高。在常用的频率50170Hz范围内，资料的疲范围内，资料的疲劳强度根本不受频率的影响。低于劳强度根本不受频率的影响。低于1Hz加载时，加载时，疲劳强度会有所降低。疲劳强度会有所降低。 一、任务条件的影响一、任务条件的影响2022-4-1251河海大学机电工程学院一、任务条件的影响一、任务条件

35、的影响2、温度、温度随着温度的降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳随着温度的降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。强度降低。 留意：有些资料在一定的温度范围内有时效和热脆留意：有些资料在一定的温度范围内有时效和热脆景象，疲劳强度会出现峰值和谷值。景象，疲劳强度会出现峰值和谷值。构造钢在构造钢在400以上时，疲劳强度急剧下降。耐热钢以上时，疲劳强度急剧下降。耐热钢在在550650以上疲劳强度才会明显下降。以上疲劳强度才会明显下降。高温时资料的疲劳强度没有程度段，疲劳强度只能高温时资料的疲劳强度没有程度段，疲劳强度只能按规定的循环周次确定。按规定的循环周次确定。2022-4-1252河海大学机

36、电工程学院3、腐蚀介质、腐蚀介质腐蚀使资料外表产生蚀坑，从而导致降低资料的腐蚀使资料外表产生蚀坑，从而导致降低资料的疲劳强度。疲劳强度。普通腐蚀疲劳曲线没有程度段，只能按规定的循普通腐蚀疲劳曲线没有程度段，只能按规定的循环周次确定。环周次确定。一、任务条件的影响一、任务条件的影响2022-4-1253河海大学机电工程学院二、外表形状和尺寸要素的影响二、外表形状和尺寸要素的影响1、机件外表的缺口、刀痕、擦伤和缺陷等，都会、机件外表的缺口、刀痕、擦伤和缺陷等，都会引起应力集中，是疲劳源，使疲劳强度降低。引起应力集中，是疲劳源，使疲劳强度降低。2、尺寸要素、尺寸要素机件尺寸增大，疲劳强度下降，称为尺

37、寸效应。机件尺寸增大，疲劳强度下降，称为尺寸效应。 尺寸效应系数：尺寸效应系数： = (-1)d / -1 (-1)d表示直径为表示直径为d的机件的疲劳强度，的机件的疲劳强度， -1表示表示小试样的疲劳强度。小试样的疲劳强度。缺口试样比光滑试样的尺寸效应更加明显。缺口试样比光滑试样的尺寸效应更加明显。2022-4-1254河海大学机电工程学院三、外表强化及剩余应力的影响三、外表强化及剩余应力的影响1、提高资料外表力学性能。、提高资料外表力学性能。疲劳破坏往往是从工件的疲劳破坏往往是从工件的外表开场的，提高外表强外表开场的，提高外表强度，就能提高工件的疲劳度，就能提高工件的疲劳寿命。寿命。2、产

38、生外表压应力。能减小、产生外表压应力。能减小工件外表的拉应力，能提工件外表的拉应力，能提高疲劳强度。高疲劳强度。3、外表强化的方法：喷丸、外表强化的方法：喷丸、滚压、外表淬火和化学热滚压、外表淬火和化学热处置，以及复合强化等。处置，以及复合强化等。2022-4-1255河海大学机电工程学院四、资料成分和组织的影响四、资料成分和组织的影响合金成分合金成分构造钢；碳构造钢；碳固溶固溶/弥散弥散非金属夹杂物和冶金缺陷非金属夹杂物和冶金缺陷 显微组织显微组织 (1)晶粒度晶粒度 (2)各组分的相对量各组分的相对量 回火马氏体疲劳强度最好；回火马氏体疲劳强度最好； 淬火组织中铁素体、奥氏体淬火组织中铁素

39、体、奥氏体易引发疲劳裂易引发疲劳裂纹纹应力形状：高周疲劳、低周疲劳应力形状：高周疲劳、低周疲劳2022-4-1256河海大学机电工程学院第五节第五节 热热 疲疲 劳劳由周期变化的热应力或热应变引起的资料破坏由周期变化的热应力或热应变引起的资料破坏称为热疲劳。如热轧辊、气轮机叶片、热锻模称为热疲劳。如热轧辊、气轮机叶片、热锻模、柴油机活塞、制动盘等在运用过程中，都遭、柴油机活塞、制动盘等在运用过程中，都遭到温度变化而引起的膨胀和收缩，当这种膨胀到温度变化而引起的膨胀和收缩，当这种膨胀和收缩遭到制约时就会在机件内部产生应力。和收缩遭到制约时就会在机件内部产生应力。工件产生热疲劳破坏必需具备两个条件：工件产生热疲劳破坏必需具备两个条件：1温度循环变化温度循环变化2工件的热变形遭到约束。工件的热变形遭到约束。2022-4-1257河海大学机电工程学院由温差由温差T引起的膨胀变形量为引起的膨胀变形量为T，假设该变形，假设该变形完全被约束，那么产生的热应力为：完全被约束，那么产生的热应力为： = ET经过足够的温度变动循环后，这种变形呵斥的损伤经过足够的温度变动循环后，这种变形呵斥的损伤累积将引发疲劳裂纹，并导致资料龟裂或断裂。