金属疲劳学.

金属疲劳学姓名：杨嘉伟学号：101060305562011年5月15日目录第一章金属疲劳强度基础第二章金属的循环变形及低循环疲劳第三章裂纹的萌生第四章疲劳裂纹的扩展第五章影响疲劳的因素第一章金属疲劳强度基础第一节疲劳的研究历史1839年巴黎大学教授J．U．Poncelet在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师WőhLer提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值∆k之间的关系。1974年，美国空军颁布军用规范A-83444，从此断裂力学就成就为疲劳研究的重要理论工具。我国对疲劳现象的试验研究可追溯到五十年代初期。第二节金属疲劳的分类1.按受力方式分a.拉压疲劳b.弯曲疲劳c.扭转疲劳d.复合疲劳2.按照裁荷与时间的关系确定与否分a.定常疲劳(即裁荷与时间有确定的函数关系)b.随机疲劳(随机裁荷作用下的疲劳)；3.按温度、介质和接触情况的不同又可分为a.一般疲劳(空气中)和腐蚀疲劳b.常温疲劳和高温疲劳c.接触按劳d.微动磨损腐蚀疲劳(也隙擦伤疲劳或咬蚀)除此之外，构件由于急骤地受热和冷却产生很大的热应力循环而导致破坏则称为热疲劳；目前比较多的研究工作是按照破坏前所经历的裁荷循环周次来划分，一般破断周次Nf＞104习惯称为高周疲劳，Nf＜104~105。称为低周疲劳。2.2疲劳加载方式•载荷控制——软性加载软性加载：指在实验过程中载荷大小保持恒定，试样位移不受限制，疲劳损伤随加载系统的刚度变化。•变形控制——刚性加载刚性加载：指在实验过程中试样的位移保持不变，载荷随实验系统的刚度而变化。2.2.1疲劳加载类型•弯曲疲劳MM平面弯曲pp悬臂弯曲•旋转弯曲疲劳平面旋转弯曲p悬臂旋转弯曲WppWWPP•扭转疲劳MK扭转疲劳MK•冲击疲劳试样受到重复的冲击载荷作用，简谐载荷与冲击载荷的叠加反映了汽车，铁路建筑等机构上零部件的受载特点。•轴向疲劳循环载荷是沿试样轴线方向施加的，根据载荷是否过零点有可分为拉拉型（p=0)和拉压型两种。第三节疲劳的曲线图1.3.1疲劳寿命曲线的测定测定材料的S—N曲线的试验步骤如下：取8~12根相同的试样，对第一根试样上加交变应力S1，通常可取S1=2σb/3，经N1周循环后断裂。对第二根试样加应力S2，可取S2=2σb/5，经N2次循环后断裂。这样，逐次递减应力，就可得到3、4、5、6、7等点。假定第七根试样在S7应力下经过107循环仍然不断，且S6与S7两点间隔相当大，则可稍微提高应力到S8。如果经过107循环之后仍然不断，且∆S＝S6-S8,，小于S8的10％，也小于1kgf／mm2，则S8可认为是材料的疲劳极限。在工程上测定疲劳极限常使用升降法。升降法也称高低法。用这种方法测定疲劳极限时，先根据以往的经验，对疲劳极限作一粗略的估计。在此应力水平上试验第一个试样。若该试样在达到所规定的循环次数之前就破坏了，则将应力降低一级进行第二级试验；反之，则增加一级进行试验。对以后的试样，也按这个方法一个接一个地相继试验下去。试验中应合理地选取应力增量，使得整个试验在四到五级的应力水平上进行。1.3.2S-N曲线的绘制逐点描迹法直线拟合法：其中常用就是最小二乘法1.3.3疲劳曲线全图blgalgABCDfNlg准静段低周疲劳高周疲劳有限疲劳寿命无限疲劳寿命1对称载荷blgmaxlgABCDfNlg动态蠕变低周疲劳高周疲劳有限疲劳寿命无限疲劳寿命max脉动循环动态蠕变断口呈现疲劳特征，即有裂纹萌生、扩展和瞬断三个区域。而准静断没有这些特征，其断裂机理完全与韧性断裂一样。第二章金属的循环变形第一节静态和准静态加载工程应力：S=P/A0工程应变：e=(Li-L0)/L0真应力：σ=P/Ai真应变：Є=ln(Li/L0)σ=S(1+e)Є=ln(1+e)P加载后的形状加载前的形状didoLoLiPLoLiL轴向加载试样在不断加大负荷的情况下，材料的形变行为如右图所示，虚线表示塑性材料的工程应力——应变曲线，实线表示同一种材料的真实应力——应变曲线。A点之后出现塑性流变。0A工程应力——应变真是应力——应变单次拉伸应力——应变B第二节循环加载的滞后回线2.2.1滞后回线当材料在弹性范围内循环加载时，应力和应变彼此仅与弹性模量E有关，呈线性函数关系。在非弹性范围内循环加载时，材料的应力—应变关系就较为复杂，如图所示。滞后环的面积等于一次负荷循环中所产生的变形功。循环加裁时的滞后环0AB0EE),(),(弹性循环加载塑性循环加载2.2.2包辛格（Baushinger)效应在做反复的拉-压试验的发现，一个试样在正向变形后(例如拉伸)，再继续正向形变就比较困难，但进行反向形变(压缩)反而变得容易了。金属这种经过于先加载产生微量塑性变形,然后再同向加载则使弹性极限升高；反向加载则弹性极限降低的现象叫做包辛格效应。这个现象是可逆的。包辛格效应的数值可以用同一应力下拉伸曲线和压缩曲线上应变的差值来表示(图中的β)，此值被称为包辛格应变。0ABE包辛格效应FEDC2.2.3玛辛（Masing)特性在应力增量相同的阶梯加载循环变形中，将滞后回线的最低的点都移至坐标原点，如果幅值不同的回线能重合在一起，则称该材料具有玛辛特性。否则为非玛辛材料。204KSI00025玛辛特性2.2.4材料的记忆特性所谓的记忆特性是指材料在经过某一个大应变幅值下循环后，当减少应力幅值或改变循环特征进行循环后再回到原来大应变幅值下循环。这时的循环回线如果和最初的循环回线重合，就说明材料具有“记忆”特性。第三节循环硬化和软化金属在低循环疲劳的初期，由于交变应力的作用、会出现循环硬化或软化现象。如果试样在恒定的应力幅作用下发生循环形变，则试样的应变不定值，如图(b),(c)所示，在（b)中，应变幅值随循环次数增加而减小，最后达到以稳定值这过程称为循环硬化。相反（c)中应变逐渐增大，呈现循环软化。0t0(a)(b)tt0(c)恒应力下材料的循环特性0t0(a)(b)tt0(c)恒应变幅下材料的循环特性a恒应变使滞后回线形状013524恒应力下循环硬化时的回线形状013524恒应力下循环软化时的回线形状60135246a.硬化0135246b.软化第四节循环应力-应变曲线2.4.1循环应力一应变曲线比较表达式')('napsKK‘-循环强度系数n’-循环应变硬化指数应力应变曲线一次曲线循环140Mpa0.01循环应力——应变曲线2.4.2循环应力一应变曲线的测试方法（1）单级实验法根据不同的应变范围∆εt可得到相应的稳定应力范围∆σ。以∆εt／2为横坐标，∆σ／2为纵坐标，划出的σ-ε曲线。（2）多级实验法（3）增级法第五节循环疲劳寿命petbffeNE)2(/'2/cffpN)2('2/通常总应变范围包括弹性应变和塑性应变两部分。其中：代入则有：)2()2(2''ffbfftNNE图2.10循环应力-寿命曲线上式是传统的S-N曲线和M-C曲线的迭加，结果如图2.10中上部曲线所示。它既反映了长寿命区的弹性应变寿命关系，又反映了短寿命区的塑性应变寿命关系。在图2.10中，两条直线∆εe-Nf和∆εp-Nf的交点所对应的疲劳寿命NT称为过渡疲劳寿命。当Nf=NT时，弹性应变范围与塑性应变范围相等，可以认为弹性应变所造成的损伤与塑性应变所造成的损伤是一样的。f'2/2/2/pefEf/'bffeNE)2('2/TN2fN2cffpN)2('2/第三章裂纹的萌生第一节疲劳裂纹萌生的部位大量光学和电子显微镜的观察指出，存在着三种主要类型的疲劳裂纹形核地点。它们是驻留滑移带、晶拉间界和表面夹杂物(或第二相相界)。3.1.1从晶界萌生疲劳裂纹Laird曾提出一种模型，由于晶体滑移，在某些较敏感的晶界上形成台阶。当它达到一定的高度时，会因应力集中而产生裂纹。产生这种晶界裂纹必须满足一定的几何条件。①晶界是大角度的。②相邻两晶粒内的主要沿移系统上的滑移必须指向晶界。③滑移要在长距离内进行。晶界与自由表面的交线应该和应力轴成一定的角度。当晶界与晶粒相比，晶界强度较弱的情况下，使晶界开裂所需的应力要比在晶粒内部造成沿移带开裂所需的应力低很多。此时更容易在晶界萌生疲劳裂纹。除了晶界之外，孪晶界也可能成为疲劳裂纹萌生的处所。3.1.2在非金属夹杂物(或第二相)处萌生疲劳裂纹从非金属夹杂物处萌生疲劳裂纹大致可分为三种情况：夹杂物本身开裂，复合非金用夹杂物内界面的分离；夹杂物与基体之间界面的脱开。后一种生核方式比较普遍。第二节疲劳裂纹萌生的孕育期从工程应用的角度出发，把开始产生0.1mm长度疲劳裂纹的应力循环周次，作为裂纹萌生的孕育期N0。疲劳裂纹萌生的孕育期N0取决于材料的性能(强度、塑性)、缺口尖锐度、应力水平和表面强化效果。第三节疫劳裂纹萌生机制3.3.1Wood机制Wood机制是一个最直观的机制，Wood认为疲劳形变时，其滑移特点图3.1所示。在这种情况下试样表面出现A、B等所示的类似“缺口”处。因此，在疲劳过程中，形变就集中在这些“缺口”处，最后形成裂纹。这样的挤出与侵入的形成或驻留滑移带表现的沟状外观就很容易得到解释。图3.1疲劳裂纹形成的Wood机制DCBA3.3.2Neuman模型在相互平行的滑移面上，粗活移形成微裂纹，如图3.2所示。裂纹从粗滑移台阶开始，在拉伸时图中a滑移面1开始激活，大量同号位错排列在这个滑移面内；滑移的结果在表面处又造成应力集中，促使在同一拉伸载荷下滑移面2激活，于是形成位错组态b。同号位错逐渐在滑移面2上塞积。在随后的压缩过程中，沿移面1和2上塞积的位错反向运动构成组态c。假设图中A处的面没有重新接合，只是宏观地贴合在一起，那么c既可以代表在A处产生了微裂纹。图3.2裂纹萌生的Neuman模型3.3.3Cotterll-Hull模型其萌生过程如图3.3所示。在拉应力作用下，最有利的F-R源S1开始激活。例如图3.3（a）中一负位错滑出，在P处留下一·个滑移台阶。在同一半循环中，随着拉应力的增加，另一个F-R源S2开始激活。由于正位错滑出，可以在Q处留下一个滑移台阶如图3.3（b）所示。在压应力作用的半个循环中，由于在1a12b213d1234f24135h24681013579j12Ac1231234eg12435i135k79246810新位置上F-R源S1的激活，正位错滑出后留下一个反向滑移台阶P‘，如图3.3(c)所示。在同一循环中随着压应力的增加，由于在新位置上F—R源S2的激活，负位错滑出后又留下一个反向滑移台阶Q’。最后便形成了图3.3（d）的挤出QQ’和侵入PP’。按上述模型应力连续循环下去，挤出的高度和侵入的深度就不断增加，而其宽度不变。图3.3疲劳裂纹萌生的Cottrell-Hull模型1SP(a)2S(b)QP(c)QPP’1S2S(d)Q’QP’P1S2S3.3.4位错偶极子塞积模型驻留滑移带和疲劳裂纹二者之间有内在的联系，在表现形式上是“挤入”和“挤出”，它和疲劳裂纹是彼此一致的现象。图3.4表示了材料表面取向有利的晶粒中，由于位错偶极子塞积而造成的“挤入”和“挤出”。在滑移带上要形成裂纹应当满足应力条件和能量条件。图3.4疲劳过程中偶极子群的形成及“挤出”“挤入”的形成应力条件：能量条件