疲劳断裂讲义

1、1、疲劳断裂讲义，第1节交变应力和疲劳破坏现象第2节疲劳破坏机制第3节疲劳破坏的宏观和微观特征第4节疲劳破坏力学第5节影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素第6节材料疲劳极限或疲劳强度的改善方法，第2、1节交变应力和疲劳破坏现象，结构材料及机械零件故障案例中疲劳破坏占50%，破坏不同，事前预防是关键！1998年德国高速铁路脱轨事故(200公里，近100人死亡，300多人受伤)，3，交变应力是疲劳破坏造成的重要条件！项目的很多负荷会随着时间而变化，其中很大一部分随时会周期性变化。例如：火车的车轴。相交应力元件中点的应力状态是随时间周期性变化的应力。a .交变应力，4，齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随时间

2、定期变化。5，在零部件的应力时间曲线中可见。在受交变应力的元件中，轴的弯曲应力每一周从最大值max变更为最小值min，然后返回最大值。也就是说，轴线每隔一周完成一次应力称为应力回路的回路。Max=min是对称循环；否则是不对称循环。0，6，交变应力的几个名词术语3360，7，交变应力的几种模式：8，脉动周期：0到特定最大值之间的交变应力周期，称为脉动循环。0，9，(3)稳定交变应力：交变应力的最大和最小应力值，该值在操作过程中始终保持不变。否则，称为不稳定的交变应力。不稳定的交变应力、随机振幅、应力、(4)静态应力也可以视为交变应力的性质：10，元件在交变应力下的最大应力低于降伏限制时可能会发

3、生疲劳损坏。塑性好的材料断裂之前也没有明显的塑性变形。疲劳破坏过程可以根据优先顺序分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成疲劳裂纹扩展，最终失效中断。11，b .静态强度指标(疲劳破坏分类、降伏极限或强度极限等)不能再用作疲劳破坏的强度指标。因此，在交变应力下，必须重设材料的强度指标。应力-寿命曲线，实际上实验不能无限期进行。通常，指定周期数N0，而不是无限寿命。此规定的周期数N0称为周期基数。相当于N0的耐久性限制。疲劳极限、疲劳寿命、疲劳极限、旋转梁疲劳试验机，12，通常钢材料(铸铁除外)具有明显的疲劳极限特性，对应于S-N图，具体取决于应力的降低。通常，非铁材料(例如Al、Cu合金)没有实际的水平

4、疲劳极限。疲劳比：条件疲劳极限，13，疲劳寿命N f分类：14，许多应用工程部件无需承受数万循环(即Nf105)，例如汽车启动器的弹簧部件、热交换管、涡轮转子和刀片等。根据此循环寿命设计零件可以显着降低零件质量，降低生产成本。低周疲劳的特点，一般低周疲劳的应力应变滞后曲线，Basquin提出了关系。疲劳强度系数类似于拉伸强度B值在-0.05 -0.12之间。15，典型的变形-寿命关系曲线，Coffin和Manson建议材料塑性变形和疲劳寿命之间的关系。C值介于-0.05和0.7之间。结合Basquin和Coffin-Manson关系，以获得总应力、应变和疲劳寿命关系。材料本身的性质也使变形-寿

5、命曲线不同！16，具有各种性质的材料的应变寿命曲线，循环应力继续作用时，材料的应力应变曲线形状发生变化，指示该材料的应力应变反应变化。随着磁滞曲线形状的变化，循环硬化，17，变形范围固定，应力范围逐渐变小。，循环软化混合行为，18，循环稳定变形范围和塑性变形不明显。各种材料的单向拉伸应力和循环应力的应力应变曲线、循环硬化、循环软化、19、2节疲劳破坏机理、疲劳破坏过程可以根据优先顺序分为三个主要阶段：疲劳微裂纹、表面划痕、缺口等。内部缺陷(例如杂物、晶界、双晶界等强度低的地方)。21，循环应力作用数千次后，某些晶粒中出现错误的滑移，滑移线增加，永久性滑移线(包括PSB，5000条以上滑移线)形

6、成，材料表面发生突出和紧贴，两者沿着永久滑移线平行发展，最终形成疲劳微裂纹。22，铜单晶PSB中挤出和挤压区域的实际照片，23，b .疲劳微裂纹扩展，增长率和生长方向由局部应力集中的条件和裂纹尖端的材料特性控制。疲劳裂纹扩展，按优先级分割：步骤I:疲劳裂纹沿PSB方向，步骤II:法向应力方向，24，步骤I:疲劳裂纹沿PSB方向，疲劳裂纹沿高剪应力平面(即PSB)增长，加剧初始疲劳裂纹，增长率相对较慢。在低应力下，或者如果试板方向是首选方向(即相邻粒子的滑动平面几乎相同)，疲劳裂纹可以延伸或穿过粒子在单个平面上滑动，从而有助于阶段I的增长。阶段25，阶段II:疲劳裂纹法向应力方向、疲劳裂纹前端的

7、塑性变形从单个滑动进入多个滑动，或疲劳裂纹增长被障碍物阻止时，进入阶段II，增长速度加快，增长方向垂直于应力方向更改。疲劳裂纹尖端反复塑性钝化和尖角，发展成宏观疲劳裂纹，达到临界裂纹长度。26，C疲劳裂纹达到临界长度时，材料本身剩余截面面积无法承受施加的负荷，突然进入最终失效破裂阶段，造成异常快速和破坏性的材料失效。27，第3节疲劳破坏的宏观和微观特性，a .宏特征疲劳破坏的发展模式，将制动器分为两个表面形态完全不同的领域。28，光滑平坦的疲劳破坏区疲劳裂纹的起始区域，生长缓慢，每个周期周期由于变形，疲劳裂纹表面前后摩擦，得到类似光泽表面的表面。在光滑、平坦的疲劳破坏区域中，有时会出现织布机线

8、(同心半圆、中心、裂纹源)，这是因为应力振幅的大小不同(低应力时疲劳裂纹变慢或停止生长，高应力时疲劳裂纹继续或加速生长)。比阿特线、29、疲劳条纹的密度、疲劳源区域的强度和台阶情况，必须确定疲劳源的起始顺序。原疲劳原区经历交变负荷作用的时间较长，疲劳条纹密度高，光泽更亮。30，槽口灵敏度对疲劳破坏形式的影响，如果材料对间隙不敏感，则疲劳条纹将围绕裂纹源包裹或向外凸的同心形状。如果材料对间隙敏感，则疲劳条纹开始在裂纹源周围变平。向前增加一定距离，以弧形向前延伸。31、有效应力集中系数、元件的造型、大小相关材料性质(极限强度)等方面，静态负载抗拉强度越高，有效应力集中系数越大，对应力集中越敏感。3

9、2、凹凸的最后一个破碎区域的最后一个疲劳破坏阶段，如果试件承受不了施加的载荷而突然断裂，则不经过摩擦阶段，表面会出现粗糙和不规则的特征。也称为粒状表面。这种材料对差距很敏感！粒状表面，33，b .微观特征，通过SEM可以发现有细微间隙的平行花纹(宽度约为2.510-5mm)，称为疲劳条纹。，疲劳条纹垂直于疲劳裂纹的扩展方向，每个条纹表示应力周期后疲劳裂纹前端前进的距离。材料塑性越高，疲劳条纹越明显。应力范围越大，疲劳条纹越宽。疲劳条纹与比塔拉人形状相似，但尺度不同。单个贝塔线内可能包含数千条以上的疲劳条纹。34，35，第四节疲劳断裂力学，在该理论中，疲劳裂纹增长的最重要领域是无损可感知的最小裂

10、纹长度(D)到临界裂纹长度(C)。疲劳裂纹增长的最重要区域，曲线斜率是疲劳裂纹增长速度。初始扩张时增长率缓慢，但疲劳裂纹变长，扩张速度加快。36，应力大小对疲劳裂纹扩展的影响，固定长度疲劳裂纹的应力越大，疲劳裂纹增长速度越快。I阶段，每次循环疲劳裂纹扩展约0.1nm阶段II增长率增加了数万倍，一次扩大1米左右。37，随着疲劳裂纹的增大，裂纹前应力集中越来越明显，因此应力强度系数(K)增大。根据斜率，此s曲线可分为三个区域。38，第一古濑车站：扩展率随K下降快速下降，小于应力强度范围的阈值Kth，疲劳裂纹很少扩展。在安全要求非常严格的核电站零部件设备设计中，KKth II古濑车站：疲劳裂纹扩展速

11、率随着K的增加而增加，但斜度降低，该地区S曲线的变化是线性的。该区域相当于材料的有用疲劳寿命，疲劳裂纹稳定扩展，III古濑车站：在K中K max接近临界应力强度系数时进入该区域。S-曲线斜率再次增加，该区域疲劳裂纹属于相当不稳定快速的扩展，因此进入该区域破坏的周期较少，分析的意义不大。39，第5节材料疲劳极限或影响疲劳强度的因素，a .平均应力的影响压缩应力导致疲劳裂纹开口闭合。研究平均应力m0或应力比R -1的循环应力对材料疲劳破坏的影响。随着应力比R的增加，材料的疲劳极限也在上升。40，大多数材料的应力振幅a和平均应力m之间的线性关系Goodman经验方程式：某些材料的应力振幅a和平均应力

12、m之间的抛物线关系Gerber经验方程式3360，完全反转周期的疲劳极限e，极限抗拉强度uts，41，徐璐其他应力振幅a和平均应力m下的疲劳测量，42，b，表面越粗糙，应力集中越低，疲劳寿命越低。可以将抛光处理应用于疲劳环境中要使用的零部件。曲率半径越小，应力集中越明显，43，c .环境效应，通常加速腐蚀破坏的环境因素包括温度变化(热疲劳)和腐蚀介质(腐蚀疲劳)。热疲劳，零件受到循环应力，并在温度变化环境中使用时，会发生热应力加速疲劳损坏。即使没有外部循环应力，如果尺寸热膨胀导致收缩和限制，也可能发生热应力。热疲劳在环境变化的结构件和材料锁定中很常见，设计时必须尽量减少尺寸限制的来源或选择具有

13、相似热膨胀系数的材料。热应力计算：44，如果零件在腐蚀环境中，则小孔引起应力集中，将疲劳裂纹扩展到核，从而缩短疲劳寿命。腐蚀疲劳，疲劳极限消失，防止腐蚀疲劳的方法有多种，基本上是将腐蚀率降到最低(例如使用防护保护层、减少或隔离环境腐蚀性、使用腐蚀性材料等)。45，d .温度影响，温度越高，材料疲劳行为越复杂(潜变、氧化现象、循环应力频率可能会产生显着影响)。高温氧化的影响是氧化膜脆，电位滑动时应力集中容易产生疲劳裂纹，从而减少疲劳寿命。此外，疲劳裂纹前端由于局部塑性变形而产生新表面，氧化会加快疲劳裂纹扩展速度。在这种情况下，疲劳裂纹主要是晶体模式损伤。高温下，材料屈服强度较低，电位容易滑动，容

14、易发生塑性变形，有助于PSB形成，使表面疲劳裂纹增大到核，从而降低疲劳限制或疲劳强度。特例：碳钢250-350测量的疲劳限度在相对低温时更高，C原子扩散率接近电位滑动速度，因此聚集在C原子的位置误差附近产生拖曳应力，电位不易滑动。46，e .晶粒大小和方向、晶内和晶界的等强度温度(ECT)以下、晶界细则的疲劳寿命增加是由于微细粒子强化(晶界阻碍电位的移动)。如果材料因塑料加工而拉长和变形，当疲劳载荷方向与粒子方向平行时，疲劳寿命会更高。47，f .溶液合金元素和析出颗粒，溶液强化提高疲劳寿命。强化的析出物小、圆、硬、均匀分布会增加疲劳寿命。如果材料内部粒子在表面以夹杂物的形式出现(例如，空气中

15、熔化的钢、非金属夹杂物大而多)，则疲劳裂纹在这里容易变成核，从而降低疲劳寿命。溶液强化原子、析出硬化或分散强化的两相粒子和母材物质产生明显的电位，金属产生电偶腐蚀，腐蚀裂纹的核和扩展加速，疲劳寿命反而减少。48，第6节提高材料疲劳极限或疲劳强度的方法通常难以改变零件使用条件，因此必须最大限度地改进零件设计，例如从表面效果开始。防止结构材料与机械零件表面应力集中，阻碍位错滑移积累，抑制塑性变形，疲劳裂纹难以成核，难以扩展，疲劳限制或疲劳强度增加。减缓应力集中并提高表面光洁度，从而提高表面强度。49，a .减缓应力集中的措施，设计中应避免具有方形或尖角的孔和槽。剖面标注突然变更的地方(例如楼梯轴的

16、凸肩)使用半径足够大的转移圆角，以减少应力集中。如果结构上难以增加过渡圆角的半径，则可能会在某些直径较大的轴上打开减少槽或底切。紧密接合的轮毂和轴的贴合面边具有明显的应力集中。通过在轮毂上打开减载槽，并加厚轴的配合部分以减小轮毂和轴之间的刚度差异，可以提高角焊缝中配合面边的应力集中。坡口焊比坡口焊提高了应力集中度。50，b .提高表面强度，机械强化表面(例如滚动、喷涂等)，在零部件表面形成预承载应力层，减少容易产生裂纹的表面拉伸应力，从而提高疲劳强度。或者使用热处理和化学处理(如高频火、渗碳、氮化等)。采用喷雾处理，直径0.1-1毫米的小钢珠作为高速冲击试样表面，消除了表面锐角、毛边等容易的应力集中，将表面压缩到钢珠直径的14-12深度，