疲劳与断裂力学---第2章-金属材料的常幅疲劳行为

1、第二章 金属材料的常幅疲劳行为,第一节 金属材料的循环应力应变特性,一、交变载荷,交变荷载作用下应力随时间变化的曲线，称为应力谱。,随着时间的变化，应力在一固定的最小值和最大值之间作周期性的交替变化，应力每重复变化一次的过程称为一个应力循环。,通常用以下参数描述循环应力的特征,应力比 r r = -1 ：对称循环 ； r = 0 ：脉动循环 。 r 0 ：拉拉循环 或压压循环。,(2)应力历程,(3)平均应力,一个非对称循环应力可以看作是在一个平均应力 m 上叠加一个应力历程为 的对称循环应力组合构成。,(4)应力幅值,二、循环滞回环和Bauschinger效应,循环滞回环,Bausching

2、er效应,循环软/硬化行为,应变控制循环加载,循环软/硬化行为,应力控制循环加载,OFHC紫铜的循环硬化行为,SA333 CMn钢,304LN 不锈钢,其它材料的循环软/硬化行为,应变幅值依赖性,50% of the fatigue life,单调和循环应力应变曲线,循环应力应变曲线的确定方法,成组试样法,通过一系列不同应变水平的应变控制循环试验，得到其稳定的滞回环，进而确定循环应力应变曲线。,耗时 耗材,增级试验法,采用各级应变水平由小到大再由大到小构成的程序块，由一根试样反复试验直至响应应力达到稳定值，将这个稳定循环程序块得到的许多滞回环顶点连接起来即可得到循环应力应变曲线。,Masing

3、效应,在不同应力水平得到的滞回环通过坐标平移，使其最低点与原点重合，如果滞回环最高点的连线与其上行线重合，则该材料具有Masing效应。,没有Masing效应的材料,SA333C-Mn钢,304LN不锈钢,平均应力松弛,非对称应变循环过程中，响应的平均应力随循环周次增加而逐渐下降的现象称为平均应力松弛。,棘轮行为,非对称应力循环过程中，塑性应变的循环累积现象称为棘轮行为（Ratchetting）。,非比例附加硬化,材料在非比例多轴循环过程中体现出的高于单轴（或比例多轴）循环中的硬化响应现象称为非比例附加硬化。,1Cr18Ni9Ti不锈钢,1050 QT steel,304L stainless

4、 steel,因材料而异：有的材料明显，有的材料不明显,第二节 材料的S-N曲线,一、S-N曲线,通过单轴疲劳试验得到的最大应力（S或）和疲劳寿命N的关系曲线，称为S-N曲线。,基本S-N曲线：,R=-1 (Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。,1、一般形状及特性值,S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度。,疲劳强度(fatigue strength) SN：,“无穷大”一般被定义为： 钢材，107次循环； 焊接件，2106次循环； 有色金属，108次循环。,疲劳极限(endurance limit ) Sf：,寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值 Sf。,特别地，

5、对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.,满足SSf的设计，即无限寿命设计。,1) 幂函数式 Sm.N=C,m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。 两边取对数，有: lg S=A+B lgN 即，S-N间有对数线性关系。 参数 A=lgC/m, B=-1/m。,2、S-N曲线的数学表达,考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N。,2) 指数式 ： em s.N=C,两边取对数后成为： S=A+B lg N （半对数线性关系）,4) 三参数式 (S-Sf)m.N=C,3) Basquin公式,Sa=f(2N)b,其中，f为疲劳强度系数；b为材料常数,R，Sm；且有： Sm=(

6、1+R)Sa/(1-R) R的影响Sm的影响,Sm0, 对疲劳有不利的影响； Smpa，S104),低周应变疲劳 (paea，SSys，N104),Manson-Coffin公式,幂函数公式,其中： f - 疲劳强度系数，应力量纲； b - 疲劳强度指数，无量纲； f - 疲劳延性系数，无量纲； c - 疲劳延性指数，无量纲。,大多数金属材料，b=-0.06-0.14, c=-0.5-0.7。 近似估计时取： b -0.1, c -0.6 。,N曲线可写成：,2Nt为转变寿命，大于2Nt，ea为主，是应力疲劳； 寿命小于2Nt，pa为主，是低周应变疲劳。,讨论1：转变寿命,若ea=pa，N=N

7、t , 有：,高周疲劳,低周疲劳,由此可得：,显然，二式中pa的项的系数和指数应分别相等，故六个系数间有下述关系：,讨论2：材料循环和疲劳性能参数之关系,由a-ea曲线有： 和,由ea -2N曲线有： 和,注意 b、c0；同样可知，拉伸平均应力有害，压缩平均应力有利。,二、-N曲线的近似估计及平均应力的影响,考虑平均应力的影响有： (SAE疲劳手册1968),一、载荷形式的影响,Sf（弯）Sf（拉）,拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。,第四节 影响材料疲劳性

8、能的因素,同样可用高应力区体积的不同来解释。 应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域体积越大。 疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。,二、尺寸效应,尺寸效应可以用一个修正因子Csize表达为： Csize=1.189d-0.097 8mmd250mm 当直径d8mm时，Csize=1。 尺寸修正后的疲劳极限为： Sf= CsizeSf 尺寸效应对于长寿命疲劳影响较大。,三、表面光洁度的影响,由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。,材料强度越高，光洁度的影 响越大； 应力水平越低，寿命越长， 光洁度的影响越大。,加工时的划痕、碰伤(尤其 在孔、台阶等高应力区)，可能是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。,四、表面处理的影响,残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。,疲劳裂纹常起源于表面。 在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。,