《材料性能学》5章电子教案

1第五章材料的疲劳性能概述：工程中许多的机件和构件都承受交变载荷的作用，如曲轴、连杆、齿轮、叶片和轴承等等，这些构件的主要破坏形式是疲劳破坏，据统计，断裂中有80％以上是疲劳破坏，因而造成了重大的经济损失。疲劳失效是机件的主要失效形式。研究疲劳失效有重要实际意义。研究主要体现在两个方面：定寿和延寿。2第一节交变载荷与疲劳破坏的一般规律一、交变载荷及其描述1、概念：交变载荷是指大小、方向或大小和方向都随时间作周期性变化或非周期性变化的一类载荷.交变应力是单位面积上的平均载荷.3一、交变载荷及其描述4一、交变载荷及其描述C脉动循环:σm=σa0,r＝0;σm=σa0,r＝-∞D波动循环:σmσa,0＜r＜1E随机变动应力:应力大小、方向都作无规则的变化5二、疲劳破坏的概念和特点1．疲劳概念材料在循环载荷的长期作用下，即使受到的应力低于屈服强度，也会因为损伤的积累而引发断裂的现象叫做疲劳。疲劳过程是指材料在小于屈服强度的变动载荷作用下，经过长期运转而逐渐发生损伤累积和开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程。2.疲劳曲线（1）疲劳寿命的概念和两种定义疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间6二、疲劳破坏的概念和特点两种定义:A.按循环次数B.到破坏所需的时间（2）疲劳曲线（S-N曲线）A.底循环疲劳区：高应力,明显塑变,应力超出弹性极限,循环次数低于105B.高循环疲劳区：低应力,无明显塑变,应力未超出弹性极限,循环次数高于105C.无限寿命区（安全区）:应力低于材料的疲劳强度.73．疲劳破坏的特点疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：（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，易引起安全事故和造成经济损失．（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(订寿)．二、疲劳破坏的概念和特点8二、疲劳破坏的概念和特点（３）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性．因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等），将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展．（４）可按不同方法对疲劳形式分类按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳（N＞105）和低周疲劳（N=102～105）9三、疲劳断口的宏观特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法．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．10三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征11三、疲劳断口的宏观特征疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连．但若材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点等），也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源．疲劳源可以是一个也可以是多个，其多少与工程应力状态及过载程度有关。疲劳裂纹扩展区：是疲劳裂纹亚晶界扩展形成的区域．12三、疲劳断口的宏观特征其宏观特征：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．疲劳区的每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向．13三、疲劳断口的宏观特征瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域．在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变．脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在．14第二节疲劳破坏的机理材料的疲劳失效过程大致可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，和断裂。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．目前尚无统一的尺度标准确定裂纹萌生期，低应力时，疲劳的萌生期可占整个寿命的大半以上．大量研究表明：疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起．且通常形成于试件或零件的表面。15一、金属材料疲劳破坏机理主要方式有：（1）表面滑移带开裂；（2）第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；（3）晶界或亚晶界处开裂．如图5－5所示．16一、金属材料疲劳破坏机理驻留滑移带：在循环载荷的作用下，即使循环应力未超过材料屈服强度，也会在试件表面形成循环滑移带，它与静拉伸形成的均匀滑移带不同．循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或薄弱区），用电解抛光法也很难将其去除，即使去除了，再重新循环加载后，还会在原处再现．故称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带（持久滑移带PersistSlipBand）．驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅．随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽．驻留滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出脊和侵人沟，于是就在这些地方引起应力集中，经过一定循环后会引发微裂纹．17一、金属材料疲劳破坏机理2．疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹萌生后便开始扩展，其扩展一般分为两个阶段，如图5－8所示．第1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μm（即2—5个晶粒）长．并且随着名义应力范围的生高而减小。随即疲劳裂纹便入第2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为止．此过程在显微镜下可以显示出疲劳带18一、金属材料疲劳破坏机理19二、非金属材料疲劳破坏机理由于陶瓷、高分子、复合材料等结构材料的应用远不如金属材料来得广泛和长远，所以对其疲劳破坏过程的研究还很局限及浮浅，以下仅作一般概述．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，分为：静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳．循环疲劳：与金属疲劳具有相同含义，同属长期变动应力作用下，材料的破坏行为；静态疲劳:相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用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．20二、非金属材料疲劳破坏机理陶瓷材料疲劳破坏还有特征：（1）、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；（2）、疲劳裂纹萌生对表面材料的缺陷或裂缝大小十分敏感；（3）、陶瓷材料疲劳裂纹对裂尖的应力强度因子不敏感，而是强烈依赖裂纹尖端的最大应力强度因子；21二、非金属材料疲劳破坏机理（4）、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；（5）、在陶瓷材料断口上不易观测到疲劳贝纹和疲劳条带，循环疲劳断口与快速断裂断口形貌之间差异十分微小，均呈现脆性断口特征．22二、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．（1）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；23二、非金属材料疲劳破坏机理（2）中应力循环时：也会引发银纹，并转变为裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低；（3）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变化产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏．24二、非金属材料疲劳破坏机理对于因应力低或本身不易产生银纹的结晶态聚合物，其疲劳过程可出现以下现象：①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化；②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤及晶体精细结构发生变化；③产生显微孔洞，微孔洞聚合成微裂纹，并扩展成宏观裂纹；25二、非金属材料疲劳破坏机理（4）、热疲劳：由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中部分机械能会转化为热能，使导热性差的试样本身温度急剧上升，甚至高于熔点温度或玻璃化转变温度，从而发生热疲劳．因此与金属材料不同，热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因．热疲劳的益处：疲劳循环产生的热量，有时也可用来修补高分子的微结构损伤．如聚乙烯晶片中镶嵌晶块在疲劳初期会变小，随后的疲劳可使其得到修复及稳定．26二、非金属材料疲劳破坏机理聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹：对应的是每周期变动应力作用时裂纹扩展值；疲劳斑纹：对应着不连续的、跳跃式的裂纹扩展．需要指明的是：高分子聚合物的疲劳过程并不总有疲劳辉纹和斑纹出现．它们的形成与高分子聚合物的相对分子质量、相对分子质量分布及加载条件有关．27二、非金属材料疲劳破坏机理3．复合材料的疲劳破坏机理与金属材料比较，复合材料具有良好的疲劳性能，如图5－13．28二、非金属材料疲劳破坏机理疲劳破坏有以下特点．（1）有多种疲劳损伤形式如界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等．实际上，每种损伤模型都是由多种微观裂纹（或微观破坏）构成的；由于增强纤维的牵制，裂纹扩展可减缓或停止，以及疲劳损伤缓和了切口（裂纹和缺陷）附近应力集中，而使复合材料疲劳较金属材料有较大安全寿命．29二、非金属材料疲劳破坏机理（2）复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏，常常难以确认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则．常以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数（如下降1％～2％）、共振频率变化（如1～2Hz）作为破坏依据；30二、非金属材料疲劳破坏机理（3）复合材料的疲劳性能对加载频率敏感聚合物基复合材料承受循环应力时，因材料导热性能差，吸收机械能转变为热能，且不易逸散，因此温度明显升高，导致材料性能下降；（4）复合材料的疲劳性能对应变尤其压缩应变特别敏感．与金属材料不同，较大的应变会使纤维与基体变形不协调引起纤维与基体界面的开裂形成疲劳源，压缩应变会使复合材料纵向开裂而提前破坏；31二、非金属材料疲劳破坏机理（5）复合材料的疲劳性能与纤维取向有关．纤维是主要承载组分，抗疲劳性能又好，故沿纤维方向具有很好的疲劳强度．32第三节疲劳抗力指标概述：在机械设计中，疲劳应力判据和断裂疲劳判据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、疲劳缺口敏感度等都是材料的基本力学性能指标．长期以来，人们对它们与材料及工艺间关系的研究，积累了大量数据和规律，有利于指导材料的疲劳设计33一、疲劳曲线1、疲劳曲线在交变载荷下，金属所承受的最大交变应力（σmax或S）与断裂循环周次（N）之间的关系曲线称为疲劳曲线，如下图所示。34一、疲劳曲线循环应力高时，经历的疲劳寿命短；循环应力低时，经历的疲劳寿命就长σmaxσ1σ2σrN1N2NｏN35一、疲劳曲线有水平线无水平线σlogNσσ-1N0Nσσ-1logNN036一、疲劳曲线2、疲劳曲线的种类大量试验表明，金属材料疲劳曲线有两种类型：一类有水平线，如一般结构钢和球墨铸铁的疲劳曲线，据此可标定出无限寿命的疲劳强度σ－1；另一类无水平线，如有色合金、不锈钢和高强钢的疲劳曲线，只