材料性能---金属的疲劳

MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology1•变动载荷•低应力（小于屈服强度）•疲劳失效约占80％以上。•如何提高材料疲劳寿命•材料疲劳性能的科学研究已成为材料强度科学领域的一个重要组成部分5金属的疲劳MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology21、金属疲劳现象及特点2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值4、疲劳过程及机理5、影响疲劳强度的主要因素6、低周疲劳主要内容MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology3变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力。5.1.1变动载荷和循环应力5.1金属疲劳现象及特点MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology4图变动应力示意图a)应力大小变化b)、c)应力大小及方向都变化d)应力大小及方向无规则的变化变动应力MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology5循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：最大循环应力σmax，最小循环应力σmin平均应力:σm=(σmax+σmin)/2应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2应力比:r=σmin/σmax循环应力及其特征参量MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology6图循环应力的类型a)、e)交变应力b)、c)、d)重复循环应力对称交变应力σm=0,r=-1脉动应力σm=σa0,r=0σm=σa0,r=-∞波动应力σmσa,0r1不对称交变应力-1r0常见的循环应力MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology7图农用挂车前轴的载荷谱循环应力呈随机变化，如运行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。随机变动应力MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology8金属机件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。疲劳的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。5.1.2疲劳现象及特点MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology9可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。疲劳形式的分类MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology10按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。类别疲劳类型断裂寿命周次（Nf）应力水平高周疲劳（低应力疲劳）较长105较低σσs低周疲劳（高应力疲劳）较短102～105较高σσs表高周疲劳和低周疲劳对比高周疲劳和低周疲劳MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology11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。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。对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，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。疲劳的特点MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology12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。疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。5.1.3疲劳宏观断口特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology13图带键的轴旋转弯曲疲劳断口，40钢疲劳宏观断口MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology14疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。位置：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、伯析、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。特点：因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。疲劳源MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology15数量：机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。产生顺序：若断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。疲劳源MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology16疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展形成的区域。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，反映裂纹扩展快馒、挤压摩擦程度上的差异。疲劳区MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology17产生原因:一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时常有启动、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。形貌特点：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。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。贝纹线——疲劳区的最典型特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology18影响因素:贝纹区的总范围与过载程度及材料的性质有关。若机件名义应力较高或材料韧性较差，则疲劳区范围较小，贝纹线不明显；反之，低名义应力或高韧性材科，疲劳区范围较大，贝纹线粗且明显。贝纹线的形状则由裂纹前沿线各点的扩展速度、载荷类型、过载程度及应力集中等决定。贝纹线MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology19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ac时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIc(Kc)时。裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂。瞬断区MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology20瞬断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。瞬断区MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology21位置：瞬断区一般应在疲劳源对侧。但对旋转弯曲来说，低名义应力时，瞬断区位置逆旋转方向偏转一角度；高名义应力时，多个疲劳源同时从表面向内扩展，使瞬断区移向中心位置。大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。瞬断区则小。瞬断区MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology22各类疲劳断口形貌MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology23各类断口的特点1、轴类机件拉压疲劳时表面无缺口应力集中：截面上应力分布均匀。裂纹扩展等速，贝纹线呈一族平行的圆弧线。表面有环状缺口的应力集中：裂纹沿表层的扩展比中间区快。5.1金属疲劳现象及特点5.1.3疲劳宏观断口特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology24各类断口的特点1、轴类机件拉压疲劳时高名义应力时：疲劳区范围小，表层与中间区的裂纹扩展相差无几，贝纹线蛇形状从起始的半圆弧状到半椭圆状最后为波浪状变化；低名义应力时：疲劳区范围大。表层裂纹扩展比中间超前许多，故贝纹线形状由起始的半圆弧状到半椭圆弧状、波浪弧状最后为凹向椭圆弧状变化。5.1金属疲劳现象及特点5.1.3疲劳宏观断口特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology25各类断口的特点2、弯曲疲劳时表面应力最高，其贝纹线变化与带缺口机件的拉压疲劳相似。表面有缺口时，应力集中增强，变化会更大。5.1金属疲劳现象及特点5.1.3疲劳宏观断口特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology26各类断口的特点3、扭转疲劳时因最大正应力方向与扭转轴倾斜45°，最大切应力垂直或平行于轴向分布。正断型疲劳断口与轴向呈45°，且易出现锯齿状或星形状断口。切应力引起的切断型疲劳断口沿最大切应力即垂直于扭转轴方向，上面一般看不到贝纹线。5.1金属疲劳现象及特点5.1.3疲劳宏观断口特征MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology27疲劳力学性能指标……疲劳缺口敏感度疲劳强度过载持久值5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinShanghaiInstituteofTechnology28疲劳设计疲劳应力判据断裂疲劳判据疲劳强度疲劳裂纹扩展速率疲劳缺口敏感度过载持久值疲劳设计MechanicalPropertiesofMaterialsFuBinSha