第四章-材料的疲劳.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第四章 材料的疲劳,1,问题的提出：,1,）许多工程结构在服役时承受变动载荷,（如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）,2,）在机械零件断裂失效中有,80,以上属于疲劳破坏,3,）疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度的变动应力条件下，并且破坏前不发生明显塑性变形，难以检测和预防,因此：研究材料的疲劳性能有重要意义,2,外加,变动载荷,造成的,机械疲劳,变动载荷,与高温联合作用引起的,蠕变,-,疲劳,机件温度变化和,应力交变,导致的,热疲劳,存在侵蚀性介质的环境中施加,变动载荷,引起的,腐蚀疲劳,两个部件,循环,接触引起的,磨损疲劳,定义,疲劳,：,工件在应力和应变,长期反复作用下,发生损伤和断裂的现象。,3,分类：,(1),按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳,(2),按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳,(3),按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是,最基本的分类方法,4,1,、疲劳概述,1.1,变动载荷（应力）：,载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载荷（应力）,可分为：周期变动；随机变动,5,周期变动应力：（,a,）（,b,）（,c,），循环应力或交变应力。火车车轴和曲轴轴颈上的一点在运转过程中所受的力。,随即变动应力：（,d,），如飞机、汽车上的零件。,6,一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,。,应力每重复变化一次的过程，称为一个,应力循环,，完成一个应力循环所需的时间称为一个,周期,，用,T,表示。,表征应力循环特征的参量有,：,最大（最小）循环应力,max,；,min,平均应力,m,=(,max,+,min,)/2,应力半幅,a,=/2=(,max,-,min,)/2,应力比,r=,min,/,max,（表征变动的不对称程度）,7,（,a,）,m,=0,，,r=-1,时，为对称循环。大多数旋转轴类零件承受此类应力。,（,b,）,-,（,d,）非对称载荷，,m,0,8,（,b,）,m,=,a,0,，,r=0,时，拉应力脉动循环，压力容器；,（,c,）,m,=,a,a,，,0r10,4,范围内的应力,-,寿命曲线。,有些机械零件，例如一次性使用的火箭发动机的某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次，故其疲劳属于低周疲劳。但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次数总是大于,10000,的。所以,大部分是高周疲劳,。,23,高周疲劳（,CD,段）：,循环应力较低的,CD,段寿命较长，称高周疲劳。大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。,D,有限疲劳寿命,无限疲劳寿命,BD,段代表有限寿命疲劳破坏。在此范围内，试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏。,在,D,点以后，如果,max,D,时,则无论应力变化多少次,材料都不会破坏。故,D,点以后的水平线代表了试件无限寿命疲劳阶段。,D,点所对应的应力,D,是材料的无限寿命,疲劳极限,，也称为持久疲劳极限，用符号,-1,表示。,24,2.2,疲劳极限,金属材料的疲劳曲线有两类，所以疲劳极限也有两种。,一类有水平线（结构钢、球磨铸铁）的疲劳曲线，水平线表示在此循环应力作用下，试样可经历无限次循环而不发生断裂（,1,，,N,），此循环应力即疲劳极限。,另一类无水平线（有色金属、高强钢或不锈钢）的疲劳曲线，规定能达到某一循环周次（一般为,N=10,7,）而不断裂的最大应力为疲劳极限（,条件疲劳极限,）。,（,1,）对称应力循环下的疲劳极限,25,几种材料的,S-N,曲线,26,疲劳极限：,对于对称循环载荷（,r=-1,),1,）对称弯曲：,-1,2,）对称扭转：,-1,3,）对称拉压：,-1P,当循环应力为非对称循环应力时，计为,r,27,疲劳极限测定方法：,单点法,首先根据经验在一给定循环应力幅,a,i,下测定寿命,N,，若,N10,7,，则进一步降低应力幅至,a,i+1,，再次测定寿命,N,，若,N,仍然,10,7,，则计算,a,=,a,i+1,-,a,i,若,a,5%,a,i,，则疲劳极限为,较简单，容易施行，但精确度较低，只能粗略估算。,28,升降法,取不少于,13,个试样，进行分级载荷下的疲劳寿命测试。以,N=10,7,为参考值，来判断下一个试样的载荷时升还是降。若,N10,7,，则下一个试样的载荷升一级，一直到,13,个试样做完为止。则疲劳极限为,m,有效试验总次数,n,试验应力水平级数,a,第,i,级应力水平,i,第,i,级应力水平下的试验次数,29,时间长，较复杂，但结果精确度较高，是标准方法。,30,应力状态对疲劳极限的影响,一般情况下,-1,-1P,-1,应力状态对疲劳极限有影响,例如：,-1P,=0.85,-1,（钢）,-1P,=0.65,-1,（铸铁）,-1,=0.55,-1,（钢）,-1,=0.8,-1,（铸铁）,31,载荷频率对疲劳极限的影响,f170Hz,，疲劳极限提高,f10,3,Hz,，疲劳极限降低,32,强度和疲劳极限的关系,一般可以根据材料的静强度估算疲劳极限。,存在关系：抗拉强度越高，疲劳极限越高。,对结构钢：,-1P,=0.23,（,s,+,b,）；,-1,=0.27,（,s,+,b,）,对铸铁：,-1P,=0.4,b,；,-1,=0.45,b,对铝合金：,-1P,=0.17,b,+7.5,；,-1,=0.17,b,-7.5,对青铜：,-1,=0.21,b,疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、细化晶粒和组织等强化方法可以提高材料的疲劳极限。,33,大多数机械零件所承受载荷属于非对称循环应力。,考虑,平均应力,、,应力幅,、,应力比,（,2,）非对称应力循环下的疲劳极限,应力比提高，疲劳极限和疲劳寿命增长,!,34,平均应力提高，疲劳极限和疲劳寿命减小,!,35,2.3,疲劳过载,有时要求机件在高于疲劳极限的应力状态下工作。,偶尔短时过载：汽车的紧急刹车或猛然起动,无无限寿命要求：飞机的起落架,需要研究材料过载下的疲劳寿命,36,（,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材料的过载持久值。,有限疲劳寿命,特点：,由疲劳曲线倾斜部分确定，曲线倾斜得越陡直，持久值越高，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,。,37,Basqiin,发现应力幅与载荷反向数（循环次数）的经验关系式,f,为疲劳强度系数，对于大多数金属，非常接近于经过颈缩修正的单向拉伸真实断裂强度。,b,为疲劳强度指数，对大多数金属，其值在,-0.05-0.12,之间。,循环应力福与寿命的双对数成一直线！,38,（,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？,可能,产生影响,过载损伤！,材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，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,39,选定三级过载应力水平，在每一级应力水平下选取多个试样，进行不同周次的过载循环，然后再在疲劳极限的应力下运转，考察是否影响了疲劳寿命。,若疲劳寿命降低，说明过载周次已超过损伤界。反复试验后可以较为准确的确定该级应力水平下的损伤周次。,再确定另外两级应力水平下的损伤界。将三点连接得到了损伤界。,过载损伤界到疲劳曲线间的影线区称为材料的,过载损伤区,过载损伤界完全由试验测得,40,过载应力,-,周次组合一旦落入此区，则会产生过载损伤，造成材料疲劳极限降低或疲劳寿命降低。,过载损伤界越陡直，损伤区越窄，其抵抗疲劳过载的能力越强。,工业上需要考虑过载损伤区！,41,（,3,）疲劳损伤累积,工程上许多构件承受变幅载荷，甚至随机变动载荷，要估算疲劳寿命？,疲劳损伤累积理论,疲劳损伤累积理论基本假设：,在高应力下，每循环一次就使材料产生一定量的损伤，随循环次数增加，损伤逐步累积，当累积达到一临界值时，材料便发生疲劳断裂。,42,P-M,理论：,在同一级应力水平下，每次循环产生的损伤是相同的，在该级应力水平下所产生的损伤与在该级应力水平下循环的次数成反比。,如：试样损伤达到,D,则断裂，即每次循环产生的损伤为,D/N,。,试样先在循环应力,1,下循环,n,1,次。,损伤累积为,Dn,1,/N,1,。,再在循环应力下,2,循环,n,2,次断裂。,损伤累积为,Dn,2,/N,2,.,43,则有,多级应力,P-M,理论,注：,P-M,理论近似正确。但是它不考虑高、低载荷加载次序的影响。实际上，疲劳寿命应受到,加载顺序,的影响。,试验发现：低,-,高载荷加载次序下及较光滑无缺陷的试样中，此值一般,1,高,-,低载荷加载次序下及带缺口试样中，此值一般,1;,K,f,为疲劳缺口系数,49,K,f,:,疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比,K,f,1,与缺口几何形状和材料有关,当,K,f,=1,时，,-1,=,-1N,，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重新分布，应力集中完全消除。此时,q,f,趋近于零，材料对疲劳缺口完全不敏感,K,f,=K,t,时，即缺口试样疲劳过程中的应力分布与非疲劳状态下试样的应力分布完全一样，没有发生应力重新分布，此时,q,f,=1,，,材料对缺口十分敏感,q,f,可以反映疲劳过程中材料发生应力重分布的能力，即降低应力集中的能力。,50,1 q,f,0,，,越大，缺口敏感度越高。,q,f,随材料强度增高而增大,结构钢：,=0.60.8,球墨铸铁：,=0.110.25,灰铸铁：,=00.05,低周疲劳的缺口敏感度一般小于高周疲劳，因为低周疲劳应力较高，缺口根部一部分已处于塑性区，降低了应力集中效应。,51,2.5,低周疲劳,2.6,疲劳裂纹扩展速率,低周疲劳的特点,构件的总寿命,=,裂纹萌生,N,i,+,裂纹扩展寿命,N,p,不讲,52,3,、疲劳的微观过程,疲劳的微观过程主要包括疲劳裂纹的萌生和疲劳裂纹的扩展两个阶段。,构件的总寿命,=,裂纹萌生,N,i,+,裂纹扩展寿命,N,p,53,起初位错密度很低,10,次循环后，位错密度显著增加，分布较均匀,100,次以后，位错密度进一步增加，分布逐渐不均匀，呈带状分布,循环次数进一步增加，位错密度增加缓慢，位错分布更加不均匀,最终位错密度趋于稳定，位错分布稳定,。,3.1,循环变形,金属在低于弹性极限的交变应力作用下，虽然整体仍处于宏观弹性状态，但在某些部位，如表面、内部界面、夹杂物、应力集中区等微观结构不均匀处已发生塑性变形。,54,循环变形与单调加载时位错滑移完全不同。,单调加载时，随着载荷的不断增加，滑移可以传播至整个晶粒和整个金属内部。,循环应力下，滑移只在一些晶粒的局部区域发生。,位错稳定结构与循环幅度相关：,循环幅度较小时为带状结构,循环幅度较大时为胞状结构,55,将纯铜的疲劳试样表面抛光，而后在疲劳循环过程中观察试样表面。,滑移线逐渐出现、增多，形成滑移带,循环次数增加，已形成的滑移带变宽、滑移带内德滑移线变密，而没有出现新的滑移带。,这种不均匀的局部滑移只发生在某些晶粒内。,位错排列成高密度的位错墙，墙之间为低位错密度的基体。,如把试样抛光和疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复出现在原有位置，称为,驻留滑移带,。,56,3.2,疲劳裂纹的萌生,1,）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,2,）定义裂纹长度为,0.050.10mm,时为,裂纹疲劳核,，对应的循环周期为裂纹萌生期,3,）低应力时，疲劳裂纹萌生寿命可占总寿命的大半,57,疲劳裂纹形核方式,由不均匀滑移和显微开裂引起,1,）表面滑移带开裂,2,）气泡、孔洞本身开裂,3,）晶界开裂,疲劳微裂纹形成的三种形式,58,1,、表面疲劳裂纹萌生,疲劳裂纹一般易产生在自由表面,1,）扭转疲劳、弯曲疲劳时都是表面应力最大。,2,）实际表面存在缺陷的几率较大，如划痕、缺口等，易为应力集中区域。,3,）自由表面晶粒受约束较小，更易发生塑性变形。,4,）自由表面与大气接触，因此，表面晶粒受环境影响最大。,59,疲劳裂纹一般易产生在自由表面,1,、表面状态对疲劳极限和寿命有很大影响,表面越光滑，可作为表面缺口而引起应力集中的部位越少，疲劳性能越好,制作高强度循环应力零件，表面需要精加工。,2,、,可采用表面强化方式提高寿命,：如喷丸、滚压、表面热处理、表面镀层等。,60,表面滑移带开裂解释,驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹,金属表面“挤出”与“侵入”并形成裂纹,61,挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型）,交叉滑移模型,62,2,、内部疲劳裂纹萌生,1,）相界面开裂产生裂纹,孔洞、气泡等宏观缺陷本身就类似裂纹，引发应力集中，萌生裂纹；第二相，夹杂物与基体界面开裂或夹杂物本身开裂都会使疲劳裂纹萌生。,只有降低第二相的脆性，提高相界面强度，控制第二相或者夹杂物的数量、大小、形态及其分布，才能抑制相界面开裂产生裂纹，提高疲劳抗力。,63,2,）晶界开裂产生裂纹,晶界的存在和相邻晶界的取向性不同，会阻碍基体位错运动，造成位错塞积，引发应力集中。,在应力不断循环下，晶界处的应力得不到松弛，应力峰越来越高，超过晶体强度时就会产生晶界处裂纹，使得晶界开裂。故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易产生晶界裂纹，降低疲劳抗力。,所以晶界强化、净化和细化晶粒等手段，均能抑制晶界处裂纹形成，提高疲劳抗力。,64,3.3,疲劳裂纹的扩展,疲劳裂纹扩展大致经历两个阶段,第一阶段：,疲劳裂纹沿最大切应力方向（与主应力呈,45,）向晶内扩展，并逐渐转向与拉应力垂直。,第二阶段：,沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇。,65,第一阶段时,萌生的微裂纹数可能很多，并沿最大切应力方向扩展，但是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。总体裂纹扩展速率较低，扩展深度也小。,这一阶段在疲劳总寿命中所占比例与循环应力幅有关,应力幅越大，第一阶段所占比例越小,应力幅越小，第一阶段所占比例越大,第一阶段循环裂纹扩展量很小，所以微观断口上无明显特征。,一般认为，第一阶段是在交变应力下裂纹沿特定滑移面反复滑移塑性变形产生新表面的过程。,66,第二阶段，由拉应力控制，沿着垂直于拉应力方向扩展形成主裂纹，穿晶扩展，速度很快，,显微特征：,在断口上可以观察到平行排列的条带,疲劳条带,。,疲劳条带（疲劳辉纹）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直,（疲劳断口最典型的微观特征）,对韧性材料：韧性条带,对脆性材料：脆性条带,67,疲劳条带,（,a,）韧性条带,1000,（,b,）脆性条带,600,68,4,、影响疲劳强度的因素,一：工作条件,1,：载荷条件：,应力状态、平均应力、应力比、载荷频率,过载将降低疲劳强度和寿命,次载锻炼，可提高疲劳强度,间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度,69,2,：温度：,温度升高，疲劳强度降低；温度降低，疲劳强度升高,3,：腐蚀介质：,使材料产生蚀坑，降低疲劳强度,70,二：表面状态和尺寸因素,1,：表面状态,表面缺口导致应力集中，形成疲劳,源，引起疲劳断裂,2,：尺寸因素,尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效应）,71,三：表面强化和残余应力,提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的疲劳强度,表面喷丸及滚压,表面热处理和化学热处理,复合强化（渗碳表面淬火、渗碳喷丸等）,72,四：材料成分及组织的影响,1,：合金成分,结构钢中碳的作用（间隙固溶强化，第二相弥散强,化），疲劳强度提高,2,：夹杂物和缺陷,降低疲劳强度,3,：显微组织,细化晶粒，提高疲劳强度,组织不同，疲劳强度不同,73,课后作业,Homework,1,、请简述疲劳破坏的特点,2,、低周疲劳和高周疲劳的定义及特点,3,、阐述次载锻炼和间歇效应的作用,4,、比较循环变形与单调加载时位错滑移,5,、列举,4,种提高疲劳极限的方法,书,P181-182,1,、,3,74,