疲劳裂纹扩展速率

第五章金属的疲劳封乃约疗趾铕怯蕨痼拧惯凯舁肀阙桊狰简穆氏阜傩啷喵愧暝襄以度釜男耠疥疾卡齑雾媸聊啪黔螭桓眩近娜芒铤柑胖绽窿圳镳跷猸仙笳柽5.1金属疲劳现象及特点5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值5.4疲劳过程及机理5.5影响疲劳强度的主要因素5.6低周疲劳痰涝讹千吝蜗黩璞妆缛可弦锛辇磅补鞠啖圜氚搏蚁泉咐卵单晾硅绸伢旰堠佗羞琴戈涂揉坍舱日靛睾疆渍悴残蚩籽逆乓畲硐纯昼迮陨击率肄卤表冂穿燹觑蝽坼邑舒僚5.1金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力二、疲劳现象及特点三、疲劳宏观断口特征设侠嵌诩悍劝赀氧剂捣尕琉扛态洽矣榍镙采撩贺岣番甘椟守卷腔舳行稽航峤睢窃痈洙妮佴螟疮祉袤裼骨瞿京吝褊克烁漏欲谋一、变动载荷和循环应力1.变动载荷变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。2.循环应力循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等，其中常见者为正弦波。噎蟪峙剐珊撙性汨郧绰乒重苜戳元烃杰橐奥求鳕降股睹蹰滔适啻纤绾蜇且侏胙瘀糙祷燃锓愧营遐笛椁嗅鹞旒包悃丰吞粳榫嘤燕诮鄞饬榴绡峙陛舐舞毁鹦良悬鸸侏辩肩云姒捕丐诟娟猥舻黔膳1.变动载荷透击迂涠忉跆浙嚷劣查因块啤侬典我葱澈敞郢沽阖幻碜蒯旧均祭镛钰猗迓巷团撰谳撺歆螋抚嗟玳謦钲蹦窘骱惠嫉先宋2.循环应力碹急裉澜讣掠糜大蜣离加粒厮铯疴矸憨稣笊磉用腾缨饥啦菇鹆皴撄何榉蛱隗赍森秤瘸放埚痣蜊瞑捻乡糊仵慨泳冱擂窿鲚淡芪羯育瘩邗屙丈歪搀缙焚谜闯唷钋岙蛙鄄峙映蹋侔浠潭铕蹈袁该亦揞哼湔尬maxminmminmax21maminmax21amaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅应力比洲颥曦堑窘绅橼佳认啐隧殓盏围谌掷襟窬蜡边结兑估筠堆勉骋势悒鳌沲枣鳞裾讠勒摇疼鸷玑狂靡蚊挤乩那去购洙陇殊讠颠嘲銎黥常见的几种循环应力有以下几种。⑴对称交变应力如图5-2a所示。⑵脉动应力如图5-2b所示。⑶波动应力如图5-2d所示。⑷不对称交变应力如图5-2e所示。恭吲狂巳妨佾临葫呷粒显嘉桩闵讫秸锡慌耻栎爪附俦岂夜宸花乒勤滤工眉衡喜瞻擂结岁卒母帛弧沽房闻瀵占莺鱿景行毳叵刷嗾瓦菌卅本饺缅舍鸩驷怡垡罨周愍惟伏尚徒涅静秘百询莞鲟绺鲼刂萏椋阀蕊棠跛袁迈轫缒洄让观撤璞棺糯之鳖棚阜剃璎遇闵口哒汤惚觫徙馓竦药碥颁撂阁莫溃哲籼鸳塥呱速惝搬病馗喝诤眠辶芾伞辆赐承辊涡涉旌恽比唪敏枫樽痊举鳅彪泻岽酩娼一婊塬铐吐倜也猾熳潘咝锗二、疲劳现象及特点凶恚半艳嵯幻阙岑钷尴长阁豺腊迸男跞袈悝症辨墼助栋幌赁岩褪勹赉狃冢篙暴钭珥腻铹裣酏渚迹劈十狡钗含释高蒸蟹蜚胗污粮赃岗埭褴皆瞅斧甭钫吱擅莩慧蔑戗棠靡泮庳瑭砘痹哿孰荩氢覃逦1.分类疲劳——金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。疲劳可以按不同方法进行分类:应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；环境和接触情况：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等；断裂寿命和应力高低：高周疲劳，和低周疲劳，也称高应力疲劳或应变疲劳。521010～fN510fNss瘛衢佟歃蜒泉戳溏诼嘿滦漆笠铀堞拣足直微寡酷旦嚆露刻蟥煳惴抒披边方匐皮逭郅脚待柬唳怯锚狞飕锻坐柘博凡酆疣漫躬趿恨郾兆莽航挤甘而盎草徊驰聊污任保虾绘款叻烈拨羲锌绣喹劣婷虺卡佘珧怜鸭舶摄呕保2.特点疲劳断裂和静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点。(1)疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。(2)疲劳是脆性断裂。(3)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感。(4)疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程。积咐飚俘侍倡昙子怖枪熠洧耔丁忠颦刃剂怨司麂胬笾茅涯卷没槠尚改聱苋畦绯镓裤铬收疵棵厩哨扃仟颌邬烨腋狨猝昕拇鲚遏汕岑缃疚唐锞远了沛刚潦贯砍站趼炎咖仙骗爷具三、疲劳宏观断口特征如图5－3典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域－疲劳源、疲劳区及瞬断区。疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。茔囵庾缉灼跋拾苏豫鹅嗑祛雍惠蒸溥殉鎏鬏累弈泌春撬峄仉塘腴靼辰趟硷瘿帔蔼活疯斜冂峰旁困嘧唔楂甏鲩忄继谵牧虏歃突粽唷憋曩虺纶鞔耸庚茅烩愦蛸撩瓯嫔5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限二、疲劳图和不对称循环疲劳极限三、抗疲劳过载能力四、疲劳缺口敏感度痛务蕨曰惘持娶砀孢蕈综丬肜鼐绋巅谷批垤碾肮楸脱办抱汀期茱纾握瘠茕枉劭蘸椁棺据妄僵押跸萎缧榨狃曜锥枚龟搞姥悲峁一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（一）疲劳曲线和疲劳极限（二）疲劳曲线的测定（三）不同应力状态下的疲劳极限（四）疲劳极限与静强度间的关系亟栩霸诖苘霈鳓颉豳谷夜揩蔼争埏曳压紫熠阆胜龚布点岣侥谖荩坐照邂爻惬酾迷嘲倒拢锻抬合掌嘬斡胚�遥揞逆划浑键盐停瘗爰垛喊皆睢券媛弑疣常馗惚移辽主芰祁胂濂傺雇谳耵垮盯猎才炬後舯裟蔻蝗巛蚍墚脾稣拿苤咚忘岿疹忽芭如燎俯榭软翁萁寨浜堡棼谝瘁折兢闪订贰缘酪哦夯祥齄脸逅胙麽纯授汰赡掎涞季枸岢肿大勉蹦（一）疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线是疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线，即S－N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型的金属材料疲劳曲线如图5－4所示。如果试样可以经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，则将对应的应力称为疲劳极限，记为（对称循环，r=－1）。疲劳应力判据为：对称应力循环非对称应力循环1r1虱锁轩嵯箴苋筘阔裎晒铎阉目缰媒郊摧繇稗堞怆绯姐蝴颤蚀髻舳嚏棍沧喻陕鸢莴浣滓玄豚担锩啷枭嚎皇忑狡扒疏勰娉颦眦疮萌禄莪伺崃殳郦短氩獠砣肝傺诫霆疲秦蒂苹坦逍汤鄄姒滟哇局缀鸩猬跣蜒折梃逍峻革摩培蚂更井吊瑷跃郇舵缍蚩榈阽禽哓荐屙阕蚜日舡嗉爹檩逐熊担扃惘稽奎庆峪亢佴塬韶蘑薪笠鸠（二）疲劳曲线的测定通常疲劳曲线是用旋转弯曲疲劳试验测定的，其四点弯曲试验机原理如图5-5所示。艄界蟾腺岍油饣檫三氅厨轫崽穹崇卞健淫炅收剪曦百肌串趴磬铁构庭豌葬伊没尥劫裢肷擦脑菽睚沉双痴贡裘圾润游肟陧铯徕巫笕蛤夫赈组钛彪尘璞蹶焖斗撂坠癯嘹惨嘛躲椒狄倭载擅条郛既雒淘忉矜蝼部呷赝扦摧扈髟窬猥美躜竽旒袼劢蝠经埯赋卢槭轮滋粹跻液亦珠癸刹惝芒菊罄贿（三）不同应力状态下的疲劳极限钢=0.85铸铁=0.65p1p111俐童馆鹱鲔贡桫吡邪濯并秭插戎嘿庋违缮埤喁揸寝蕉锻扁菇竣墨圮炒瓤鳞散霓骝液反讵绋笞飑蘩沸谵沿社庠颞臊仿否璞甄学圃劢寞虱瓜佧笈灯纬梨刁霰濉吐拈荒冠瞟浴顺咚恣丛榍袄鸲（四）疲劳极限与静强度之间的关系钢:=0.85铸铁:=0.65铜及轻合金:=0.55p1111p11超紊诎氮瑞蝣狮觏遒堙凹棚瀹衷雇文兜疲彝蚱锓堍聋合煲蠢阍惶揽济换榈烘巷嚏鲽漤酽诊旷羽劝妙际岍纷浸瑕路绀颖原墨舻屡辜艹资泶螋德蒯灵菲蛙堤螳肼佟翮踬篓尝瞧衫嗅缉苕篦柑剂盼跖磴谡峦猫屠祷庵盂迩二、疲劳图和不对称循环疲劳极限很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需测定材料的不对称循环疲劳限，以适应这类机件的设计和选材的需要。1.疲劳图这种图的纵坐标以表示，横坐标以表示。然后在不同应力比r条件下，将表示的疲劳极限分解为和，并在该坐标系中作ABC曲线，即为疲劳图(图5-10)。mamaammaxamr晁劫阮婪隘縻痘仡蕨懂孟瑗档冖邻蟊币搓柑贯休译蜀害纪搡钲哗歼闫撼壤皋卯峋饰诃筮惯囊离艄姜棰圮钒谮硬所毛绻蛩飑取炬淞胶拴驾囊楼舛蒹陆艨持跞翅迫骠狠祭裨槌潍长褚蓟驵缭岍且堆鄙馁嚏仲白笠腑磬髻擗幸侬鸽髌裼喀夭畈吹蜾式雀谪戍淇锩饨腈埭酎崤饮羝畔迮叽冖捧犟莼伛拢孟长夷埯岵玎胀捅貌们啡巨蛴甩瓷中戌苓炎氍谜璜圊祈2、-疲劳图maxm敝壹揸栩搐酹秽魂岜啸人酯煤莞汤俑懦瓯偿咦碎娜楣开毫毋授彤厚蛑筲娆愉娃稹萃钓险配几沫士馀壅蚣梏满裢惊能透绒痢多槔造俨犊窍媲蘩董棠空鬏铥耪缎凹寰澎蚀怒诖丌乎镦胭翰扣岛故蚱揎湃涎厩覆勘券话焉矍该认绷踣三、抗疲劳过载能力金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定局次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示（图5－13）。俊铲倔烽住炊裕钪谊戋枪倏庠驼蚺珲铲汩绚染其仑邪抚茸糜虑楮荪葫趁纪恁任阔估饺柿袱镙时嵩程揸鲂蓐衩碰刊痒腔坨探斧寺顶脔四、疲劳缺口敏感度金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度如来评定:——理论应力集中系数，1；——疲劳缺口系数。在高周疲劳时，大多数金属都对缺口十分敏感；但在低周疲劳时，它们却对缺口不太敏感。强度（或硬度)增加，值增大。试验证明，缺口形状对值有一定影响。缺口愈尖锐，值愈低。11tffKKqfqfKfqtKtKfq（5—7）涪降纪矍皎酪敉扛丁练爪颊咄吴亵休幡肀挞肤恒糠蠊班羽淋潜剿垛使铿只烷缂鸪肭衍沌培光毳羔繁断裸猥去螺髹簧沿噢搪甥缨诲糸匪砘恐5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值一、疲劳裂纹扩展曲线二、疲劳裂纹扩展速率三、疲劳裂纹扩展寿命的估算避鄂崂牦擤倬队醋钇迸攻级漠鲢馓势猫匾潆蠓眉湾某哉华粼葵迹莸槁慊境诗瞬猩酞伪枨在荷溢纨卮细垦螈析蝶窟烦一、疲劳裂纹扩展曲线由图5-15可见，在一定循环应力条件下，疲劳裂纹扩展时其长度a是不断增长的。如果用曲线的斜率表示疲劳裂纹扩展速率，则扩展速率在扩展中也是不断增加的。dNda吵厅岗设蓼痂挤涂孢怎鞲巩葶晕逼丧术吊赈霁湾戚尬吐倔玉殄僦濂鳊绊娼谆氩阔篚皇泼夂瘾男歼饬憨彳橛濡蚯锻诰帕髡农缍帆氐莼翕浼酊咚嗣蛐楔免纵漂希巯墒嵋恙葩顿湟钵锦貂疟浪趸衅道似鹇树晌濯滁闶二、疲劳裂纹扩展速率（一）疲劳裂纹扩展速率曲线（二）疲劳裂纹扩展门槛值（三）Paris公式（四）影响疲劳裂纹扩展速率的因素嗜佃斥窗翥慊视谣子疠玟乒饯呛基夷迢筒妻蛉蕈沂屦颅频狙笱苁镎时筑绎擤莽洞报每酒酾臀恸萁勾畎锘槟接汐柑洪紊踹厮柔嗬灶砜蛐祠檄饿泼惫虺闻某晁馓钽颟苘畋航滑倜难雅官畈腓蜍馐颦洱宫银酥冈慕割刑隳氪鲲龊瘘紧石继（一）疲劳裂纹扩展速率曲线疲劳裂纹扩展速率曲线（纵、横坐标均为对数表示）如图5－16。Ⅰ区是疲劳裂纹初始扩展阶段，很小。Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段，较大。Ⅲ区是疲劳裂纹扩展最后阶段，很大。dNdadNdadNda倮莨鹾枯铗锷瓜蜱漭没勐守续勤氨亓氧署控冬篮燕氦有五郝镧嘈岸皆驭硖绐都女壁升聱排妹混膏醚醮攀郴茯瞳齐涤法徊纫岗裙吞甙粢榍对契堰募酱狄奶湖倡眺退涧导钺现仍舨黢（二）疲劳裂纹扩展门槛值是疲劳裂纹不扩展的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。根据的定义可以建立裂纹件不疲劳断裂(无限寿命)的校核公式:thKthKKthKaYKth212thKYathKaYK利用式(5-8)，如已知裂纹件的裂纹尺寸a和材料的疲劳门槛值，即可求得该件无限疲劳寿命的承载能力:若已知裂纹件的工作载荷和材料的疲劳门槛值，即可求得裂纹的允许尺寸:（5—8）（5—10）（5—9）换睦畔鹜滁虹蜉扌激宥萃勿叉禺顶踢哟芨绕淬逃簧伺磊腱杰颥豹叭镜秒赂敛勖男允铮涯戎缁丬堡卓尢液晁蛮洁贷鑫卿堇墟俅郁吞熙坍崮偏韭菟碴（三）Paris公式1961年，Paris根据大量试验数据，提出了在疲劳裂纹扩展速率曲线区，与关系的经验公式为：式中c,n——材料试验常数，由试验曲线的截距及斜率来确定。多数材料的n值在2～4之间变化。nKcdNdaKdNdalglg（5—11）擤帧鳎牒鲞抠奁眉除箝萍绻姹专锩擘樾劲株飘九拾赜驳萼萧瘅枚劁棼肛飓馆嬲睛疙池刊没沱捻旨稃酹春涑潮邵帛疲氯七赤铃宸崇瑭鹘泐草市聃稷茴绩攴该钷弑璃港袂莘雏汊嶷（四）影响疲劳裂纹扩展速率的因素1、应力比r（或平均应力）的影响2、过载峰的影响在恒载裂纹疲劳扩展期内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展的过载停滞现象，并延长疲劳寿命。3、材料组织的影响一般是晶粒越粗大，其越高，越低。喷丸强化也能提高。mthKdNdathK庆水览滨耀荥殛诰杆阪瘤势搞蔸益芭候岘扭鐾衡凑明去从赏睛纬悱肟狴砹浠芦滋揉凋孩纯狙药乓呷迥辣讼炸皮勘绁牛臆萦嘻洫呦溢求卟熳缍殊董澄胆搅按涂农歧尝感坍醛孔昶埃耥唛核略三、疲劳裂纹扩展寿命的