材料的疲劳性能.ppt

,*,第五章 材料的疲劳性能,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,材料的疲劳性能,5-1疲劳破坏的一般规律,5-2疲劳破坏的机理,5-3疲劳抗力指标,5-4影响材料及机件疲劳强度的因素,5-5热疲劳,1,工件在,变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象,，称为,疲劳,。,由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所以应该先对其进行了解。,变动载荷,是指,载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷,。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，可分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种，可用应力-时间曲线描述，如图5-l所示。,2,3,一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中,最常见的为正弦波,。,表征应力循环特征的参量有：,4,一般机件承受的变动应力多为循环应力，是周期性变化的应力。表征应力循环特征的参量有：,6,1.疲劳破坏的概念,疲劳破坏过程,是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。,疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为,疲劳寿命,，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。,应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长,。,7,2.疲劳破坏的特点,疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具有以下特点：,(1)该破坏是一种,潜藏的突发性破坏,，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。,(2)疲劳破坏属,低应力循环延时断裂,，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要。,8,(4)可按不同方法对疲劳形式分类。,接,应力状态,分：有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳反复合疲劳；,按,应力高低和断裂寿命,分：有高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳的断裂寿命(N)较长，断裂应力水平较低，又称低应力疲劳，为常见的材料疲劳形式；低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高，常称为高应力疲劳或应变疲劳。,10,三、疲劳断口的宏观特征,如图5-4所示，典型疲劳断口具有3个特征区-,疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区,。,11,疲劳区,是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。其宏观特征是：,断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶,。,断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。,贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹,。,13,5-2疲劳破坏的机理,一、金属材料疲劳破坏机理,1.疲劳裂纹的萌生,金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程。因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。,疲劳微裂纹,由不均匀滑移和显微开裂引起,。主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。,15,2.疲劳裂纹的扩展,疲劳裂纹萌生后便开始扩展。,第阶段是,沿着最大切应力方向向内扩展,。其中多数微裂纹并不继续扩展，成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可延伸几十um(即25个晶粒)长。,16,二、非金属材料疲劳破坏机理,1.陶瓷材料的疲劳破坏机理,常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同，其含义更广：有,静态疲劳、循环疲劳,和,动态疲劳,之分。,其中,循环疲劳,与金属疲劳具有相同含义，同属在长期变动应力作用下，材料的破坏行为；,静态疲劳则相当于金属中的延迟断裂,，即在一定载荷作用下，材料可耐受应力随时间下降的现象；,动态疲劳是在恒定速率加载条件下研究材料断裂失效对加载速率的敏感性,。,18,与金属材料完全不同的,疲劳,力学特性还有：陶瓷材料常温时，在应力作用下不发生或很难发生塑性变形，裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应。因此金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷材料并不适用。,但,与金属材料,相同,的是：,疲劳破坏也同样经历了裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂的过程,。,19,疲劳裂纹多萌生于材料表面，对,表面材料的缺陷或裂缝大小十分敏感,。陶瓷材料疲劳裂纹的亚临界扩展速率对变动载荷应力幅不度敏感，而是强烈依赖裂纹尖端的最大应力强度因子，,一旦,裂纹尖端,应力超过非线性形变起始点，材料强度就大幅度衰减,。,此外，裂纹扩展速率还明显依赖于环境、材料成分、组织结构等，其程度远比金属材料高，扩展的寿命过程远比金属材料要短，并呈龟裂状。,20,二、非金属材料疲劳破坏机理,2.高分子聚合物的疲劳破坏机理,在拉应力作用下，由于,非晶态聚合物的表面和内部会出现银纹,，因此，不同结构的聚合物疲劳破坏机理也有差异。易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力。,高循环应力时,，应力很快便达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。,21,中应力循环,时也会产生银纹，并转变成裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低，但机理、过程相同；,低应力循环,时因难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。,由于聚合物为粘弹性材料，,具有较大面积的应力滞后环，所以在循环过程中部分机械能转化为热能，使导热性差的试样本身温度急剧上升，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳,。,热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因；但是，疲劳循环产生的热量，有时也可以用来修补高分子的微结构损伤。,22,聚合物基复合材料承受循环应力时，因材料导热性能差，又可吸收机械能变为热能，且不易逸散，因此温度明显升高，导致材料性能下降，显示出复合材料的疲劳性能,对加载频率敏感,。,复合材料的疲劳性能,对应变尤其是压缩应变特别敏感。,复合材料的疲劳性能,与纤维取向有关,。,24,5-3疲劳抗力指标,在机械设计中，疲劳应力判据和断裂疲劳是疲劳设计的基本依据，其中作为,材料疲劳抗力指标,的,疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感度及疲劳裂纹扩展速率,等都是材料的基本力学性能指标。,25,5-3疲劳抗力指标,疲劳强度的定义,：,在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力,。根据要求，指定的疲劳寿命可为无限周次也可为有限周次。,应力对疲劳强度有很大影响，应根据实际循环应力状态测定选用相应的疲劳强度。材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。,一、疲劳强度,26,1.过载持久值,材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次,称为,过载持久值,，也称为,有限疲劳寿命,。,过载持久值表征了材料对过载荷疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件下能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。,28,2.过载损伤界,实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在正常的工作应力下运行。这种短期的过载对材料的性能是否产生影响，取决于过载应力及过载周次。材料在过载应力水平下只有运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低，造成过载损伤。,把在每个过载应力下运行能引起,损伤的最少循环周次连接起来就,得到该材料的过载损伤界,。,29,按定义，1 q,f,0,当,K,f,=1时，q,f,趋近零，表明材料对缺口完全不敏感；,K,f,=K,t,时，q,f,=1，表明材料对缺口十分敏感,。,一般来说，,q,f,随材料强度增高而增大,。,结构钢：q,f,=0.6-0.8；,球铁：q,f,=0.11-0.25；,灰铸铁：q,f,=0-0.05。,三、疲劳缺口敏感度,31,高速电主轴在卧式镗铣床上的应用越来越多，除了主轴速度和精度大幅提高外，还简化了主轴箱内部结构，缩短了制造周期，尤其是能进行高速切削，电主轴转速最高可大10000r/min以上。不足之处在于功率受到限制，其制造成本较高，尤其是不能进行深孔加工。而镗杆伸缩式结构其速度有限，精度虽不如电主轴结构，但可进行深孔加工，且功率大，可进行满负荷加工，效率高，是电主轴无法比拟的。因此，两种结构并存，工艺性能各异，却给用户提供了更多的选择。现在，又开发了一种可更换式主轴系统，具有一机两用的功效，用户根据不同的加工对象选择使用，即电主轴和镗杆可相互更换使用。这种结构兼顾了两种结构的不足，还大大降低了成本。是当今卧式镗铣床的一大创举。电主轴的优点在于高速切削和快速进给，大大提高了机床的精度和效率。卧式镗铣床运行速度越来越高，快速移动速度达到2530m/min，镗杆最高转速6000r/min。而卧式加工中心的速度更高，快速移动高达50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.0080.01mm，重复定位精度0.0040.005mm。落地式铣镗床铣刀 由于落地式铣镗床以加工大型零件为主，铣削工艺范围广，尤其是大功率、强力切削是落地铣镗床的一大加工优势，这也是落地铣镗床的传统工艺概念。而当代落地铣镗床的技术发展，正在改变传统的工艺概念与加工方法，高速加工的工艺概念正在替代传统的重切削概念，以高速、高精、高效带来加工工艺方法的改变，从而也促进了落地式铣镗床结构性改变和技术水平的提高。当今，落地式铣镗床发展的最大特点是向高速铣削发展，均为滑枕式(无镗轴)结构，并配备各种不同工艺性能的铣头附件。该结构的优点是滑枕的截面大，刚性好，行程长，移动速度快，便于安装各种功能附件，主要是高速镗、铣头、两坐标双摆角铣头等，将落地铣镗床的工艺性能及加工范围达到极致，大大提高了加工速度与效率。传统的铣削是通过镗杆进行加工，而现代铣削加工，多由各种功能附件通过滑枕完成，已有替代传统加工的趋势，其优点不仅是铣削的速度、效率高，更主要是可进行多面体和曲面的加工，这是传统加工方法无法完成的。因此，现在，很多厂家都竞相开发生产滑枕式(无镗轴)高速加工中心，在于它的经济性，技术优势很明显，还能大大提高机床的工艺水平和工艺范围。同时，又提高了加工精度和加工效率。当然，需要各种不同型式的高精密铣头附件作技术保障，对其要求也很高。高速铣削给落地式铣镗床带来了结构上的变化，主轴箱居中的结构较为普遍，其刚性高，适合高速运行。滑枕驱动结构采用线性导轨，直线电机驱动，这种结构是高速切削所必需的，国外厂家在落地式铣镗床上都已采用，国内同类产品还不多见，仅在中小规格机床上采用线性导轨。高速加工还对环境、安全提出了更高的要求，这又产生了宜人化生产的概念，各厂家都非常重视机床高速运行状态下，对人的安全保护与可操作性，将操作台、立柱实行全封闭式结构，既安全又美观。,工艺特点,精品课件文档，欢迎下载，下载后可以复制编辑。,更多精品文档，欢迎浏览。,32,