《材料的疲勞》PPT課件

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1、,,,,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,第四章 材料的疲勞,,問題的提出：,,,1）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時承受變動載荷,,（如曲軸、連桿、齒輪、橋梁等）,,2）在機械零件斷裂失效中有80％以上屬于疲勞破壞,,3）疲勞斷裂通常發(fā)生在遠低于材料靜強度的變動應(yīng)力條件下，并且破壞前不發(fā)生明顯塑性變形，難以檢測和預(yù)防,,,因此：研究材料的疲勞性能有重要意義,,,外加,變動載荷,造成的,機械疲勞,,變動載荷,與高溫聯(lián)合作用引起的,蠕變-疲勞,,機件溫度變化和,應(yīng)力交變,導(dǎo)致的,熱疲勞,,存在侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中施加,變動載荷,引起的,腐

2、蝕疲勞,,兩個部件,循環(huán),接觸引起的,磨損疲勞,定義,疲勞,：,,工件在應(yīng)力和應(yīng)變,長期反復(fù)作用下,發(fā)生損傷和斷裂的現(xiàn)象。,,,分類：,,(1) 按應(yīng)力狀態(tài)不同，可分為：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、擠壓疲勞、復(fù)合疲勞,,(2) 按環(huán)境及接觸情況不同，可分為：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞,,(3) 按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可分為：高周疲勞、低周疲勞，這是,最基本的分類方法,,,1、疲勞概述,1.1 變動載荷（應(yīng)力）：,,載荷（應(yīng)力）大小，甚至方向隨時間變化的載荷（應(yīng)力）,,可分為： 周期變動；隨機變動,,,,周期變動應(yīng)力：（a）（b）（c），循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力?；疖囓囕S和曲軸軸頸上的

3、一點在運轉(zhuǎn)過程中所受的力。,,隨即變動應(yīng)力：（d），如飛機、汽車上的零件。,,一般機件承受的變動應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力是周期性變化的應(yīng)力，變化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中,最常見的為正弦波,。,,,應(yīng)力每重復(fù)變化一次的過程，稱為一個,應(yīng)力循環(huán),，完成一個應(yīng)力循環(huán)所需的時間稱為一個,周期,，用 T表示。,表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有,：,,最大（最?。┭h(huán)應(yīng)力,σ,max,；,σ,min,,,平均應(yīng)力,σ,m,= (σ,max,+σ,min,)/2,,,應(yīng)力半幅,σ,a,=Δσ/2 = (σ,max,-σ,min,)/2,,,應(yīng)力比,r =,σ,min,/σ,max,,（表征變動的不對

4、稱程度）,,（a）σ,m,=0，r=-1時，為對稱循環(huán)。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件承受此類應(yīng)力。,,（b）-（d）非對稱載荷，σ,m,≠,,0,,（b）σ,m,=σ,a,>0，r=0時，拉應(yīng)力脈動循環(huán)，壓力容器；,,（c） σ,m,=σ,a,<0，r=-∞時，壓應(yīng)力脈動循環(huán)，軸承多承受此種載荷；,,（d） σ,m,>σ,a,，0

5、σ,max,-σ,min,)=30,,σ,max,=65MPa；σ,min,=35MPa；r=0.54,,,1.2 疲勞破壞,,疲勞破壞過程,是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從,局部區(qū)域開始,的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。,,機件疲勞失效前的循環(huán)次數(shù)稱為,疲勞壽命,，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。,,疲勞破壞的特點,,疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞相比較，具有以下特點：,,(1)疲勞破壞的斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。,,(2)疲勞破壞屬,低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂,，應(yīng)力

6、高，機件壽命短；應(yīng)力低，壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長。所以對于疲勞壽命的預(yù)測就顯得十分重要和必要。,,(3)疲勞損傷是在長期,累積損傷,過程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴展到臨界尺寸時才突然發(fā)生的。,,,(4)疲勞破壞經(jīng)歷了,裂紋的萌生、擴展和最后斷裂,三個階段。,,(5)疲勞,對缺陷,(缺口、裂紋及組織)十分,敏感,，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應(yīng)力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。,,(6)該破壞是一種,潛藏的突發(fā)性破壞,，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞破壞

7、前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經(jīng)濟損失。,,1.3 疲勞斷口的宏觀特征,典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)：,,,疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū),。,,（1）疲勞源,,是疲勞裂紋萌生的策源地，裂紋萌生的位置，,多出現(xiàn)在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連,。但若,材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷,，也會因局部材料強度降低而在機件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。,,特征,,1,）疲勞源區(qū)比較,光滑,（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多）,,2,）表面,硬度,因加工硬化有所提,高,,3,）可以是一個，也可能有多個疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)），發(fā)生先后跟光亮程度有關(guān)。,,（2）疲勞區(qū),,是疲勞裂紋亞臨

8、界擴展形成的區(qū)域。,,其宏觀形貌是,斷口較光滑并分布有貝紋線(或,,海灘花樣)，有時還有裂紋擴展臺階,。,,特點：,,貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，,一般認(rèn)為是因載荷變動引起的，因為機器運轉(zhuǎn)時不可避免地常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。所以,只出現(xiàn)在實際構(gòu)件的疲勞斷口上。,,貝紋線是以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向；近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠離疲勞源區(qū)貝紋線較疏,,斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。,,（3）瞬斷區(qū),,是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。,,該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏

9、觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。,,,脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在,。,,,,2、疲勞的宏觀表征,要知道在多大力的載荷下材料能承受多少次循環(huán)？——大量實驗,,2.1 疲勞曲線,,德國人Wohler針對火車車軸疲勞進行研究，得到了循環(huán)應(yīng)力（S）與疲勞循環(huán)壽命（N）之間的關(guān)系?！?疲勞曲線（S-N曲線）,,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗,試樣旋轉(zhuǎn)并承受一彎矩。產(chǎn)生彎矩的力恒定不變且不轉(zhuǎn)動。試樣可裝成懸臂，在一點或兩點加力；或裝成橫梁，在四點加力。試驗一直進行到試樣失效或超過預(yù)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。,,光滑無缺口疲勞試樣,,σ,m,=0,，,r

10、=-1,的對稱循環(huán)及應(yīng)力幅,,純彎曲條件,,當(dāng)應(yīng)力達到一定大小以后，材料不斷裂。,疲勞曲線測定方法,,,1）選擇幾個不同的最大循環(huán)應(yīng)力,σ1，σ2………σn,,2）測定從加載到試樣斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù),N1，N2………Nn，,即疲勞壽命,,3）繪制,σ—N,曲線或者,σ,–lgN曲線或者lg,σ,-lgN曲線,,完整S-N曲線,準(zhǔn)靜態(tài)斷裂（,AB,段）：,A,端應(yīng)力接近于抗拉強度，循環(huán)壽命很短，準(zhǔn)靜態(tài)斷裂。,低周疲勞（,BC,段）：,隨著循環(huán)次數(shù)的增加，使材料發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力不斷下降。,C,點相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)大約在,10000,左右。這一階段由于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)相對很小，所以叫做低周疲勞。,,

11、低周疲勞時，由于應(yīng)力水平較高，一般,σ,≥,σ,s,，發(fā)生較大應(yīng)變，不適用于循環(huán)頻率較高的試驗，故也稱,低頻疲勞,或,應(yīng)變疲勞,。,,觀察試件在這一階段的破壞斷口，可見到材料已發(fā)生塑性變形的特征。所以低周疲勞性能常用,應(yīng)變-壽命曲線,表征。一般的疲勞曲線特指N>10,4,范圍內(nèi)的應(yīng)力-壽命曲線。,,有些機械零件，例如一次性使用的火箭發(fā)動機的某些零件、導(dǎo)彈殼體等，在整個使用壽命期間應(yīng)力變化次數(shù)只有幾百到幾千次，故其疲勞屬于低周疲勞。但對絕大多數(shù)通用零件來說，當(dāng)其承受變應(yīng)力作用時，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)總是大于,10000,的。所以,大部分是高周疲勞,。,,高周疲勞（CD段）：,循環(huán)應(yīng)力較低的CD段壽命較

12、長，稱高周疲勞。大多數(shù)通用機械零件及專用零件的失效都是由高周疲勞引起的。,D,有限疲勞壽命,無限疲勞壽命,BD,段代表有限壽命疲勞破壞。在此范圍內(nèi)，試件經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的變應(yīng)力作用后總會發(fā)生疲勞破壞。,,在,D,點以后，如果,σ,max,＜,σ,D,,時,,,則無論應(yīng)力變化多少次,,,材料都不會破壞。故,D,點以后的水平線代表了試件無限壽命疲勞階段。,,D,點所對應(yīng)的應(yīng)力,σ,D,是材料的無限壽命,疲勞極限,，也稱為持久疲勞極限，用符號,σ,-1,表示。,,2.2 疲勞極限,金屬材料的疲勞曲線有兩類，所以疲勞極限也有兩種。,,一類有水平線（結(jié)構(gòu)鋼、球磨鑄鐵）的疲勞曲線，水平線表示在此循環(huán)應(yīng)力作用下

13、，試樣可經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂（,σ≤σ,－,1,，,N,→∞,），此循環(huán)應(yīng)力即疲勞極限。,,另一類無水平線（有色金屬、高強鋼或不銹鋼）的疲勞曲線，規(guī)定能達到某一循環(huán)周次（一般為,N=10,7,）而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞極限（,條件疲勞極限,）。,（1）對稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限,,,幾種材料的S-N曲線,,疲勞極限：,,對于對稱循環(huán)載荷（,r = -1,),,1）對稱彎曲：,σ,-1,,2）對稱扭轉(zhuǎn)：,τ,-1,,3）對稱拉壓：,σ,-1P,,,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力為非對稱循環(huán)應(yīng)力時，計為,σ,－r,,,疲勞極限測定方法：,單點法,,,首先根據(jù)經(jīng)驗在一給定循環(huán)應(yīng)力幅,σ,a,i,下測定壽命N，若N<

14、10,7,，則進一步降低應(yīng)力幅至,σ,a,i+1,，再次測定壽命N，若N仍然<10,7,，則重復(fù)上述步驟，直到N>10,7,，則計算,,Δ,σ,a,=,,σ,a,i+1,-,σ,a,i,,若,Δ,σ,a,≤5%,σ,a,i,，則疲勞極限為,較簡單，容易施行，但精確度較低，只能粗略估算。,,升降法,,取不少于13個試樣，進行分級載荷下的疲勞壽命測試。以N=10,7,為參考值，來判斷下一個試樣的載荷時升還是降。若N<10,7,,則下一個試樣載荷降一級；若N>10,7,，則下一個試樣的載荷升一級，一直到13個試樣做完為止。則疲勞極限為,m——,有效試驗總次數(shù),n——,試驗應(yīng)力水平級數(shù),,σ,a,——

15、,第i級應(yīng)力水平,υ,i,——,第i級應(yīng)力水平下的試驗次數(shù),,,時間長，較復(fù)雜，但結(jié)果精確度較高，是標(biāo)準(zhǔn)方法。,,應(yīng)力狀態(tài)對疲勞極限的影響,一般情況下,,,σ,-1,>,σ,-1P,,,>,τ,-1,,——應(yīng)力狀態(tài)對疲勞極限有影響,例如：σ,-1P,=0.85,σ,-1,（鋼）,,σ,-1P,=0.65,σ,-1,（鑄鐵）,,τ,-1,=0.55,σ,-1,（鋼）,,τ,-1,=0.8,σ,-1,（鑄鐵）,,載荷頻率對疲勞極限的影響,f<1Hz，疲勞極限降低；,,f在50~170Hz范圍內(nèi)，頻率對疲勞極限無明顯影響,,f>170Hz，疲勞極限提高,,f>10,3,Hz，疲勞極限降低,,強度和疲

16、勞極限的關(guān)系,一般可以根據(jù)材料的靜強度估算疲勞極限。,,存在關(guān)系：抗拉強度越高，疲勞極限越高。,,對結(jié)構(gòu)鋼：,σ,-1P,=0.23（,σ,s,+,,σ,b,）；,σ,-1,=0.27（,σ,s,+,σ,b,）,,對鑄鐵：,σ,-1P,=0.4,σ,b,；,σ,-1,=0.45,σ,b,,對鋁合金：,σ,-1P,=0.17,σ,b,+7.5；,σ,-1,=0.17,σ,b,-7.5,,對青銅：,σ,-1,=0.21,σ,b,,疲勞極限與材料強度近似成正比，所以合金化、細化晶粒和組織等強化方法可以提高材料的疲勞極限。,,大多數(shù)機械零件所承受載荷屬于非對稱循環(huán)應(yīng)力。,,——考慮,平均應(yīng)力,、,應(yīng)力

17、幅,、,應(yīng)力比,（2）非對稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限,應(yīng)力比提高，疲勞極限和疲勞壽命增長!,,,,平均應(yīng)力提高，疲勞極限和疲勞壽命減小!,,2.3 疲勞過載,有時要求機件在高于疲勞極限的應(yīng)力狀態(tài)下工作。,,偶爾短時過載：汽車的緊急剎車或猛然起動,,無無限壽命要求 ：飛機的起落架,,,,——需要研究材料過載下的疲勞壽命,,（1）過載持久值,材料在高于疲勞強度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料的過載持久值。,,——有限疲勞壽命,,,特點：,,由疲勞曲線傾斜部分確定，曲線傾斜得越陡直，持久值越高，表明材料在相同的過載條件下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對,過載荷的抗力愈高,。,,Bas

18、qiin發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅與載荷反向數(shù)（循環(huán)次數(shù)）的經(jīng)驗關(guān)系式,σ,f,‘為疲勞強度系數(shù)，對于大多數(shù)金屬，非常接近于經(jīng)過頸縮修正的單向拉伸真實斷裂強度。,,b為疲勞強度指數(shù)，對大多數(shù)金屬，其值在-0.05~-0.12之間。,循環(huán)應(yīng)力福與壽命的雙對數(shù)成一直線！,,（2）過載損傷界,實際上，機件往往預(yù)先受短期過載，而以后再在正常的工作應(yīng)力下運行。這種短期的過載對材料的性能是否產(chǎn)生影響？,,,可能,產(chǎn)生影響——,過載損傷！,,,材料在某一過載應(yīng)力水平下，只有運行一定周次后，疲勞強度或疲勞壽命才會降低，造成過載損傷,,把在每個過載應(yīng)力下運行能引起損傷的,最少循環(huán)周次,連接起來就得到該材料的過載損傷界,,,,,

19、,選定三級過載應(yīng)力水平，在每一級應(yīng)力水平下選取多個試樣，進行不同周次的過載循環(huán)，然后再在疲勞極限的應(yīng)力下運轉(zhuǎn)，考察是否影響了疲勞壽命。,,若疲勞壽命降低，說明過載周次已超過損傷界。反復(fù)試驗后可以較為準(zhǔn)確的確定該級應(yīng)力水平下的損傷周次。,,再確定另外兩級應(yīng)力水平下的損傷界。將三點連接得到了損傷界。,過載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)稱為材料的,過載損傷區(qū),過載損傷界完全由試驗測得,,過載應(yīng)力-周次組合一旦落入此區(qū)，則會產(chǎn)生過載損傷，造成材料疲勞極限降低或疲勞壽命降低。,過載損傷界越陡直，損傷區(qū)越窄，其抵抗疲勞過載的能力越強。,,工業(yè)上需要考慮過載損傷區(qū)！,,（3）疲勞損傷累積,工程上許多構(gòu)件承受變幅

20、載荷，甚至隨機變動載荷，要估算疲勞壽命？,,——疲勞損傷累積理論,,,疲勞損傷累積理論基本假設(shè)：,在高應(yīng)力下，每循環(huán)一次就使材料產(chǎn)生一定量的損傷，隨循環(huán)次數(shù)增加，損傷逐步累積，當(dāng)累積達到一臨界值時，材料便發(fā)生疲勞斷裂。,,P-M理論：,在同一級應(yīng)力水平下，每次循環(huán)產(chǎn)生的損傷是相同的，在該級應(yīng)力水平下所產(chǎn)生的損傷與在該級應(yīng)力水平下循環(huán)的次數(shù)成反比。,,如：試樣損傷達到D則斷裂，即每次循環(huán)產(chǎn)生的損傷為D/N。,試樣先在循環(huán)應(yīng)力,±σ,1,下循環(huán),n,1,次。,,,損傷累積為,Dn,1,/N,1,。,,再在循環(huán)應(yīng)力下,±σ,2,循環(huán),n,2,次斷裂。,,,損傷累積為,Dn,2,/N,2,.,,則有,

21、多級應(yīng)力,P-M理論,注：P-M理論近似正確。但是它不考慮高、低載荷加載次序的影響。實際上，疲勞壽命應(yīng)受到,加載順序,的影響。,,試驗發(fā)現(xiàn)：低-高載荷加載次序下及較光滑無缺陷的試樣中，此值一般>1,,高-低載荷加載次序下及帶缺口試樣中，此值一般<1,,（4）次載鍛煉和間歇效應(yīng),試驗發(fā)現(xiàn)，金屬在低于或接近于疲勞極限的應(yīng)力下運轉(zhuǎn)一定周次后，會使疲勞極限提高，這種現(xiàn)象稱為,次載鍛煉,。,,例如：45鋼經(jīng)淬火加200℃回火后，在,0.9σ,-1,應(yīng)力下鍛煉,2*10,6,次，整個疲勞曲線明顯右移和升高，表明既延長了疲勞壽命又提高了疲勞極限。,次載鍛煉,,這可能是次載鍛煉和輕度加工相似，提高了材料的強度

22、的緣故,。次載鍛煉既能提高疲勞極限，又可延長過載疲勞壽命。,,一般情況下，次載鍛煉的循環(huán)周次越長，鍛煉效果越好。,,有些新制成的機器在空載或不滿載條件下先運行一段時間，一方面可以使運動配合部分嚙合得更好（跑合）；另一方面可以利用次載鍛煉原理提高機件的使用壽命。,,,許多事實表明，機件的實際壽命與實驗室數(shù)據(jù)存在明顯的差異。這是因為工件機件幾乎都是非連續(xù)、間歇地運作的。,,一方面可能是因為次載鍛煉；,,另一方面：間歇效應(yīng),對疲勞壽命的影響。,,,常用的20、45鋼具有較強的應(yīng)變時效作用，如果在循環(huán)加載運行中間歇空載一定時間，可以提高疲勞強度和疲勞壽命。,間歇效應(yīng),,需注意，間歇提高疲勞壽命的效果是

23、在次載條件下體現(xiàn)的。此時，疲勞強化起主要作用，間歇產(chǎn)生時效強化，因而提高壽命。,,若在過載范圍內(nèi)間歇，對壽命無影響，甚至降低壽命。因為此時過載產(chǎn)生過載損傷積累，造成疲勞弱化，弱化起主要作用。,,在次載下間歇有個最佳間歇時間，其長短與應(yīng)力大小有關(guān)。應(yīng)力高則最佳間歇時間短，應(yīng)力低則最佳間歇時間長。,,采用合適的間歇時間和間歇周次進行間歇加載，能有效提高疲勞強度和疲勞壽命,,,2.4 疲勞缺口敏感度,實際機件常常帶有,臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋,等結(jié)構(gòu)，其作用類似于缺口，造成該區(qū)域的,應(yīng)力集中,，因而會縮短機件疲勞壽命，降低材料疲勞強度。,,材料在變動應(yīng)力作用下的缺口敏感性，常用,疲勞缺口敏感度q

24、,f,表征，即,,,,,,式中：K,t,為理論應(yīng)力集中系數(shù)，可查， K,t,>1;,,K,f,為疲勞缺口系數(shù),,K,f,: 疲勞缺口系數(shù)；為光滑試樣和缺口試樣疲勞強度之比,,,,,,K,f,＞ 1 ,與缺口幾何形狀和材料有關(guān),,當(dāng),K,f,=1,時，σ,-1,=σ,-1N,，缺口不降低疲勞極限，說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重新分布，應(yīng)力集中完全消除。此時,q,f,趨近于零，材料對疲勞缺口完全不敏感,,K,f,= K,t,時，即缺口試樣疲勞過程中的應(yīng)力分布與非疲勞狀態(tài)下試樣的應(yīng)力分布完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，此時,q,f,=1，,材料對缺口十分敏感,,q,f,可以反映疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)

25、力重分布的能力，即降低應(yīng)力集中的能力。,,1 > q,f,>0,，,越大，缺口敏感度越高。,,q,f,隨材料強度增高而增大,,結(jié)構(gòu)鋼：=0.6~0.8,,球墨鑄鐵：=0.11~0.25,,灰鑄鐵：=0~0.05,,低周疲勞的缺口敏感度一般小于高周疲勞，因為低周疲勞應(yīng)力較高，缺口根部一部分已處于塑性區(qū)，降低了應(yīng)力集中效應(yīng)。,,2.5 低周疲勞 2.6 疲勞裂紋擴展速率,低周疲勞的特點,,構(gòu)件的總壽命=裂紋萌生,N,i,+,裂紋擴展壽命,N,p,,不講,,,3、疲勞的微觀過程,疲勞的微觀過程主要包括疲勞裂紋的萌生和疲勞裂紋的擴展兩個階段。,,構(gòu)件的總壽命,,=裂紋萌生N,i,+裂紋擴展壽命N,p

26、,,起初位錯密度很低,,10次循環(huán)后，位錯密度顯著增加，分布較均勻,,100次以后，位錯密度進一步增加，分布逐漸不均勻，呈帶狀分布,,循環(huán)次數(shù)進一步增加，位錯密度增加緩慢，位錯分布更加不均勻,,最終位錯密度趨于穩(wěn)定，位錯分布穩(wěn)定,。,3.1 循環(huán)變形,,金屬在低于彈性極限的交變應(yīng)力作用下，雖然整體仍處于宏觀彈性狀態(tài)，但在某些部位，如表面、內(nèi)部界面、夾雜物、應(yīng)力集中區(qū)等微觀結(jié)構(gòu)不均勻處已發(fā)生塑性變形。,,循環(huán)變形與單調(diào)加載時位錯滑移完全不同。,,單調(diào)加載時，隨著載荷的不斷增加，滑移可以傳播至整個晶粒和整個金屬內(nèi)部。,,循環(huán)應(yīng)力下，滑移只在一些晶粒的局部區(qū)域發(fā)生。,,位錯穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與循環(huán)幅度相關(guān)：,

27、,循環(huán)幅度較小時為帶狀結(jié)構(gòu),,循環(huán)幅度較大時為胞狀結(jié)構(gòu),,將純銅的疲勞試樣表面拋光，而后在疲勞循環(huán)過程中觀察試樣表面。,,滑移線逐漸出現(xiàn)、增多，形成滑移帶,,循環(huán)次數(shù)增加，已形成的滑移帶變寬、滑移帶內(nèi)德滑移線變密，而沒有出現(xiàn)新的滑移帶。,,這種不均勻的局部滑移只發(fā)生在某些晶粒內(nèi)。,位錯排列成高密度的位錯墻，墻之間為低位錯密度的基體。,如把試樣拋光和疲勞反復(fù)進行，會發(fā)現(xiàn)有些部位的滑移帶反復(fù)出現(xiàn)在原有位置，稱為,駐留滑移帶,。,,3.2 疲勞裂紋的萌生,,1）在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移，微裂紋形成及長大而完成,,,2）定義裂紋長度為0.05—0.10mm時為,裂紋疲勞核,，對應(yīng)的循環(huán)周

28、期為裂紋萌生期,,,3）低應(yīng)力時，疲勞裂紋萌生壽命可占總壽命的大半,,疲勞裂紋形核方式,由不均勻滑移和顯微開裂引起,,,1）表面滑移帶開裂,,2）氣泡、孔洞本身開裂,,3）晶界開裂,,,,,,,,疲勞微裂紋形成的三種形式,,,1、表面疲勞裂紋萌生,疲勞裂紋一般易產(chǎn)生在自由表面,1）扭轉(zhuǎn)疲勞、彎曲疲勞時都是表面應(yīng)力最大。,,2）實際表面存在缺陷的幾率較大，如劃痕、缺口等，易為應(yīng)力集中區(qū)域。,,3）自由表面晶粒受約束較小，更易發(fā)生塑性變形。,,4）自由表面與大氣接觸，因此，表面晶粒受環(huán)境影響最大。,,疲勞裂紋一般易產(chǎn)生在自由表面,,1、表面狀態(tài)對疲勞極限和壽命有很大影響,,表面越光滑，可作為表面缺

29、口而引起應(yīng)力集中的部位越少，疲勞性能越好——制作高強度循環(huán)應(yīng)力零件，表面需要精加工。,,2、,可采用表面強化方式提高壽命,：如噴丸、滾壓、表面熱處理、表面鍍層等。,,表面滑移帶開裂解釋,,,駐留滑移帶在表面加寬過程中，會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋,金屬表面“擠出”與“侵入”并形成裂紋,,擠出和侵入的形成過程（交叉滑移模型）,,,,,,,,,,交叉滑移模型,,2、內(nèi)部疲勞裂紋萌生,1）相界面開裂產(chǎn)生裂紋,孔洞、氣泡等宏觀缺陷本身就類似裂紋，引發(fā)應(yīng)力集中，萌生裂紋；第二相，夾雜物與基體界面開裂或夾雜物本身開裂都會使疲勞裂紋萌生。,只有降低第二相的脆性，提高相界面強度，控

30、制第二相或者夾雜物的數(shù)量、大小、形態(tài)及其分布，才能抑制相界面開裂產(chǎn)生裂紋，提高疲勞抗力。,,2）晶界開裂產(chǎn)生裂紋,晶界的存在和相鄰晶界的取向性不同，會阻礙基體位錯運動，造成位錯塞積，引發(fā)應(yīng)力集中。,,在應(yīng)力不斷循環(huán)下，晶界處的應(yīng)力得不到松弛，應(yīng)力峰越來越高，超過晶體強度時就會產(chǎn)生晶界處裂紋，使得晶界開裂。故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞抗力。,,,所以晶界強化、凈化和細化晶粒等手段，均能抑制晶界處裂紋形成，提高疲勞抗力。,,3.3 疲勞裂紋的擴展,,疲勞裂紋擴展大致經(jīng)歷兩個階段,第一階段：,,,疲勞裂紋沿最大切應(yīng)力方向（與主應(yīng)力呈45°）向晶內(nèi)擴展，并逐漸轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)

31、力垂直。,,,第二階段：,,沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇。,,第一階段時,萌生的微裂紋數(shù)可能很多，并沿最大切應(yīng)力方向擴展，但是其中多數(shù)微裂紋并不繼續(xù)擴展，成為不擴展裂紋，只有個別微裂紋可延伸幾十,um(,即,2—5,個晶粒,),長?？傮w裂紋擴展速率較低，擴展深度也小。,,這一階段在疲勞總壽命中所占比例與循環(huán)應(yīng)力幅有關(guān),,應(yīng)力幅越大，第一階段所占比例越小,,應(yīng)力幅越小，第一階段所占比例越大,,第一階段循環(huán)裂紋擴展量很小，所以微觀斷口上無明顯特征。,,一般認(rèn)為，第一階段是在交變應(yīng)力下裂紋沿特定滑移面反復(fù)滑移塑性變形產(chǎn)生新表面的過程。,,第二階段，由拉應(yīng)力控制，沿著垂直于拉

32、應(yīng)力方向擴展形成主裂紋，穿晶擴展，速度很快，,,,,,顯微特征：,在斷口上可以觀察到平行排列的條帶——,疲勞條帶,。,,,疲勞條帶（疲勞輝紋）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴展方向垂直,,,（疲勞斷口最典型的微觀特征）,,對韌性材料：韌性條帶,,對脆性材料：脆性條帶,,,,,,,,,,,疲勞條帶,,（a）韌性條帶×1000 （b）脆性條帶×600,,4、影響疲勞強度的因素,一：工作條件,,1：載荷條件：,,應(yīng)力狀態(tài)、平均應(yīng)力、應(yīng)力比、載荷頻率,,過載將降低疲勞強度和壽命,,次載鍛煉，可提高疲勞強度,,間歇效應(yīng)，對應(yīng)變時效材料，可提高疲勞強度,,,2：溫度：,,溫度升高，疲勞強度降

33、低；溫度降低，疲勞強度升高,,,3：腐蝕介質(zhì)：,,使材料產(chǎn)生蝕坑，降低疲勞強度,,,二：表面狀態(tài)和尺寸因素,,,1：表面狀態(tài),,表面缺口導(dǎo)致應(yīng)力集中，形成疲勞,,源，引起疲勞斷裂,,,2：尺寸因素,,尺寸增大，疲勞強度降低（尺寸效應(yīng)）,,三：表面強化和殘余應(yīng)力,,,提高表面塑變抗力（強度和硬度），降低表面拉應(yīng)力，提高彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷下材料的疲勞強度,,,表面噴丸及滾壓,,,表面熱處理和化學(xué)熱處理,,,復(fù)合強化（滲碳＋表面淬火、滲碳＋噴丸等）,,,四：材料成分及組織的影響,,,1：合金成分,,結(jié)構(gòu)鋼中碳的作用（間隙固溶強化，第二相彌散強,,化），疲勞強度提高,,,2：夾雜物和缺陷,,降低疲勞強度,,,3：顯微組織,,細化晶粒，提高疲勞強度,,組織不同，疲勞強度不同,,課后作業(yè),Homework,1、請簡述疲勞破壞的特點,,2、低周疲勞和高周疲勞的定義及特點,,3、闡述次載鍛煉和間歇效應(yīng)的作用,,4、比較循環(huán)變形與單調(diào)加載時位錯滑移,,5、列舉4種提高疲勞極限的方法,,書P181-182, 1、3,,