航空工程材料课件 疲劳、高温性能

项目一：金属材料力学性能及其测试金属材料工艺性能的认识金属材料力学性能及测试金属材料理化性能的认识123金属材料工艺性能的认识金属材料力学性能及测试金属材料理化性能的认识123问题：为什么要测金属材料的疲劳强度呢？举例：1999年一架波音747飞机因发动机涡轮盘疲劳断裂，击穿发动机着火，导致机毁人亡。1954年初，英国有两架客机接连失事，这就是世界上第一种喷气式客机“彗星号”。此事当时在世界上引起很大震动。人们议论纷纷。有人说，喷气式飞机飞得大快了，人根本不宜作这样高速的飞行；也有人说，喷气式客机飞得大高了，飞机被风洞“吞食”了。还有人说“彗星号”客机本身设计就有问题……。事情果真是这样吗?

1、基本概念tσtσ疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性，常常造成严重事故。据统计，机械零件断裂中，有80%是由于疲劳引起的。交变应力重复应力交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作，无明显塑性变形就发生断裂。发生断裂时的应力远小于该材料的σb，有的甚至低于σs，这种现象称为疲劳或疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。疲劳强度的测试零件产生疲劳断裂的原因：由于金属材料的表面或内部存在缺陷（夹杂、划痕、气孔、夹角等），工作时在这些地方容易产生应力集中，使零件局部造成大于σs甚至σb的应力而使零件产生局部塑性变形甚至裂痕，这种裂痕随反复交变应力次数的增加而逐渐扩大，导致未裂有效的横截面积大大减小，最终因承受不了所加载荷而突然断裂。疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（毛糙部分）疲劳强度过载持久值疲劳试验疲劳曲线疲劳强度（疲劳极限）：材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。纯弯曲疲劳极限用σ-1表示2.疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。N1,N2,N3,N4都是过载持久值疲劳曲线高周疲劳：Nf>105低周疲劳:Nf<105纯弯曲疲劳试验(视频）3.影响疲劳抗力的因素载荷类型材料本质零件表面状态工作温度腐蚀介质提高σ-1的方法：①提高表面质量，减小应力集中倾向。②表面强化（采用喷丸、表面淬火、表面渗氮，表面冷轧等），使零件表面产生残余压应力。疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大(难预测)。无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。根据断口可以判断是否发生疲劳断裂。思考练习题在交变应力作用下，金属疲劳破坏是怎样形成的？提高零件疲劳寿命的方法有哪些？高温性能指标1．热稳定性提高热稳定性途径，其一是进行表面化学热处理，如渗铝、渗铬、渗硅等；其二是合金化，即在材料中加入适量的铝、铬、硅等元素。在高温材料中，铬是用于提高热稳定性的主加元素，含铬量越高，抗氧化能力也越强。如含铬量由5%递升到12%、20%、30%时，则其抗氧化温度可递升到800℃、1000℃、1100℃。

2．热强度

在高温下，金属抵抗变形和破坏的能力，称为热强度或高温强度。衡量金属材料高温强度的指标是蠕变极限和持久强度极限。

1)蠕变极限金属材料在高温下，即使应力远远小于σ0.2，也会随时间的延长而缓慢的发生塑性变形，这种现象称为蠕变。金属在给定温度T（℃）下、规定的试验时间t（h）内、发生一定蠕变伸长量ε的最大应力值称为蠕变极限，并以符号“σTε/t”表示。例如：σ800℃0.2/500=200MPa，即代表该材料在800℃、500小时内、发生不超过0.2%的蠕变所需要的最大应力为200MPa。

蠕变强度的大小，表明了金属在高温下抵抗缓慢塑性变形的能力。蠕变变形发展到一定程度，最后也能导致材料的断裂。

金属材料、陶瓷材料在高温下会发生蠕变，高聚物在室温下就可能发生蠕变现象。

对于长期在一定温度下承载的机件，就要考虑它的蠕变性能。如涡轮叶片、涡轮盘等。2)持久强度极限持久强度极限是指金属在一定温度T（℃）下，经过规定时间t（h）不发生断裂的最大应力，以符号σT/t表示。例如：σ800/100=200Mpa，即表示该材料在800℃下、经100小时使金属不发生断裂的最大应力为200Mpa。持久强度的大小，表明了金属材料在高温下抵抗断裂的能力。巩固练习题1、常用的硬度测量方法有哪些？为什么硬度试验是最常用的力学性能