第五章 材料的疲劳性能 - 青岛科技大学-材料科学与工程学院

第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能第一节疲劳破坏的一般规律1、疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能交变应力（应力大小或方向呈周期性变化）第五章材料的疲劳性能3、循环载荷（应力）的表征①最大循环应力：σmax②最小循环应力：σmin③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax第五章材料的疲劳性能5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为：①对称循环σm=（σmax+σmin）/2=0r=-1属于此类的有：大多数旋转轴类零件。第五章材料的疲劳性能②不对称循环σm≠0如：发动机连杆、螺栓(a）σaσm0，-1r0（b）σa0，σm0，r-1第五章材料的疲劳性能③脉动循环σm=σa0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。σm=σa0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力）。第五章材料的疲劳性能④波动循环σmσa0r1σmin0如：发动机气缸盖、螺栓。第五章材料的疲劳性能⑤随机变动应力应力大小、方向随机变化，无规律性。如：汽车、飞机零件、轮船。第五章材料的疲劳性能二、疲劳破坏的特点在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。第五章材料的疲劳性能三、疲劳破坏的分类1、按应力状态弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳接触疲劳复合疲劳第五章材料的疲劳性能2、按应力大小和断裂寿命高周疲劳→低应力疲劳N105，ббs低周疲劳→高应力疲劳N=102～105，б≥бs第五章材料的疲劳性能四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。σNσ-10疲劳曲线:应力б↑，N↓第五章材料的疲劳性能五、疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源疲劳裂纹扩展区瞬断区第五章材料的疲劳性能1、疲劳源疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。第五章材料的疲劳性能2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是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，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。第五章材料的疲劳性能贝纹线（海滩花样）贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。第五章材料的疲劳性能名义载荷根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。计算载荷=载荷系数*名义载荷第五章材料的疲劳性能3、瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域断口特征断口粗糙，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；表面平面应力区则有剪切唇区存在。第五章材料的疲劳性能瞬断区一般在疲劳源对侧瞬断区大小与名义应力、材料性质有关高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能第二节疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理1、疲劳裂纹的萌生（形核）第Ⅰ阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微开裂（如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N，为微裂纹萌生期。第五章材料的疲劳性能驻留滑移带：在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹→形核（萌生）。不均匀滑移第五章材料的疲劳性能：挤出和侵入模型第五章材料的疲劳性能表面易产生疲劳裂纹的原因（1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。（2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。（3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。（4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。第五章材料的疲劳性能2、疲劳裂纹的扩展→第Ⅱ阶段疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大。在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。第五章材料的疲劳性能疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。疲劳条带形成的原因塑性钝化模型裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展第五章材料的疲劳性能疲劳裂纹的形成与扩展模型第五章材料的疲劳性能韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌：第五章材料的疲劳性能疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：第五章材料的疲劳性能疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R）疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R）第五章材料的疲劳性能韧性条带与脆性条带的区别第五章材料的疲劳性能二、非金属材料疲劳破坏机理1、陶瓷材料的疲劳破坏机理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。动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。第五章材料的疲劳性能2、高分子聚合物的疲劳破坏机理⑴非晶态聚合物a、高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。c、低循环应力，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及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。第五章材料的疲劳性能⑵结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象：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，晶体结构变化。③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。第五章材料的疲劳性能⑶高聚物的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，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，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。因此疲劳循环产生的热量，使聚合物升温，可以修补高分子的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。第五章材料的疲劳性能⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹每周期的裂纹扩展10μm（间距）。A、疲劳辉纹B、疲劳斑纹不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm间距。聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。第五章材料的疲劳性能3、复合材料的疲劳破坏机理⑴复合材料疲劳破坏的特点a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。第五章材料的疲劳性能d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。e、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，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。第五章材料的疲劳性能第三节疲劳抗力指标一、疲劳试验方法实验设备：旋转弯曲疲劳试验机实验方法用一组光滑试样，测量σ—N曲线，即疲劳应力—疲劳寿命曲线。实验标准GB4337—84第五章材料的疲劳性能旋转弯曲疲劳试验机：第五章材料的疲劳性能对称弯曲疲劳试验机第五章材料的疲劳性能Nσσ-10实验结果第五章材料的疲劳性能临界值σ–1材料的疲劳强度σσ–1有限循环σ≤σ–1无限循环金属材料的疲劳曲线有两类：碳钢、低合金钢、球铁等有水平线；而有色合金、不锈钢、高强度的无水平线取N=106，107或108下的疲劳强度→条件疲劳强度。第五章材料的疲劳性能二、疲劳强度在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。指定的疲劳寿命无限周次有限周次1、对称循环疲劳强度对称弯曲：σ-1对称扭转：τ-1对称拉压：σ-1p第五章材料的疲劳性能2、不对称循环疲劳强度不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。ABCEHσbσbσmσmaxσminσ-1σ-10450ασmaxσmin第五章材料的疲劳性能AHB曲线上各点σmax值即表示由r=-1~1个状态下的疲劳强度。ABCEHσbσbσmσmaxσminσ-1σ-10450ασmaxσminrtgxmam122minmaxmax由此即可根据已知循环应力比r求出α值作图，在AHB上对应点的纵坐标值即为相应的疲劳强度。第五章材料的疲劳性能21min21max11bmmambmmam这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制第五章材料的疲劳性能注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对于塑性材料，应该用屈服强度σs进行修正。第五章材料的疲劳性能3、不同应力状态下的疲劳强度同种材料在不同应力状态下，相应的疲劳强度也不同，存在如下关系：钢：σ-1p=0.85σ-1铸铁：σ-1p=0.65σ-1钢及轻合金：τ-1=0.55σ-1铸铁：τ-1=0.80σ-1对称弯曲：σ-1对称扭转：τ-1对称拉压：σ-1p第五章材料的疲劳性能同种材料的疲劳强度：σ–1σ–1Pτ–1因为弯曲疲劳时，试样表面应力最大，只有表面层才产生疲劳损伤。而拉压疲劳时，应力分布均匀，整个截面都可产生疲劳损伤，故σ–1σ–1P。扭转疲劳时，切应力大，更容易使材料发生滑移，产生疲劳损伤，故τ–1最小。第五章材料的疲劳性能4、疲劳强度与静强度间的关系试验表明，材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大。对于中、低强度钢，σ–1与σb大致成线性关系，σ–1=0.5σb。随着抗拉强度增大，材料的塑性、断裂韧性降低，裂纹易于形成和扩展，疲劳强度降低。第五章材料的疲劳性能经验公式：结构钢：σ–1P=0.23(σs+σb)σ–1=0.27(σs+σb)铸铁：σ–1P=0.4σbσ–1=0.45σb铝合金：σ–1P=1/6σb+7.5MPaσ–1=1/6σb-7.5Mpa青铜：σ–1=0.21σb第五章材料的疲劳性能