6疲劳破坏.pptx
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1、out1第第6讲讲 疲劳断裂疲劳断裂第一节第一节 交变应力与疲劳破坏现象交变应力与疲劳破坏现象第二节第二节 疲劳破坏机制疲劳破坏机制第三节第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征疲劳破坏的宏观与微观特征第四节第四节 疲劳断裂力学疲劳断裂力学第五节第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素第六节第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法小 结out2第一节第一节 交变应力与疲劳破坏现象交变应力与疲劳破坏现象 结构材料与机械零件失效案例中,疲劳破坏占疲劳破坏占疲劳破坏占疲劳破坏占50%50%50%50%,其破坏有别于静载破坏,破坏时外观没有明显的
2、征兆,大多是在无预警无预警无预警无预警且不可预期的情况下发生,损伤严重。事先预防是关键!事先预防是关键!1998年德国高铁出轨事故年德国高铁出轨事故(200Km,近百人亡,伤300余人)out3 交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件!交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件!交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件!交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件!工程中的许多载荷是随时间而发生变化的,而其工程中的许多载荷是随时间而发生变化的,而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。例如例如例如例如:火车的轮轴火车的轮轴火车的轮轴火车的轮轴。交变应力交变应力构件中点
3、的应力状态随时间而作周期性变化的应力。A.交变应力交变应力out4齿轮传动:齿轮齿轮传动:齿轮啮合点啮合点处的应力随处的应力随 时间作周期性变化。时间作周期性变化。out5 从构件的应力-时间曲线中可看出:在承受交变应力的构件中,轴中的弯曲应力每转一周就要从最大值最大值max变到最小值最小值min,然后又恢复到最大值,即:轴每转一周,应力就完成一次循环,称为一个应力循环。max=min 为对称对称循环循环,否则为非对称循环非对称循环。0 0out6交变应力的几个名词术语:out7交变应力的几种模式:交变应力的几种模式:out8脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环:变动于零到某一最大值之间的交变应力
4、循环,称为脉动循环。0 0out9(3)稳定交变应力:交变应力的最大应力和最小应力的值,在工作过程中始终保持不变,否则称不稳定交变应力。不稳定交变应力任意振幅、应力(4)静应力也可以看成是交变应力的一种特性)静应力也可以看成是交变应力的一种特性:out10 构件在交变应力下,当最大应力低构件在交变应力下,当最大应力低于屈服极限时,就可能发生疲劳破坏。于屈服极限时,就可能发生疲劳破坏。即使是塑性较好的材料断裂前也无即使是塑性较好的材料断裂前也无明显的塑性变形。明显的塑性变形。疲劳破坏过程依先后疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶次序可区分为三个主要阶段,即:段,即:l疲劳裂缝形成疲劳裂缝形成
5、l疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展l最终失效断裂。最终失效断裂。out11B.疲劳破坏的分类疲劳破坏的分类 屈服极限或强度极限等屈服极限或强度极限等静强度指标静强度指标静强度指标静强度指标已不能作为疲劳已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下,材料的强度指标应重破坏的强度指标。故在交变应力下,材料的强度指标应重新设定。新设定。应力应力应力应力-寿命曲线寿命曲线寿命曲线寿命曲线 实际上,试验不可能无限期的进行下去,实际上,试验不可能无限期的进行下去,一般规定一个循环次数一般规定一个循环次数N0来代替无限长的来代替无限长的持久持久持久持久寿命寿命寿命寿命,这个规定的循环次数,这个规定的循环次数N0称为
6、称为循环基数循环基数循环基数循环基数。与与N0对应的就是持久极限。对应的就是持久极限。持久极限持久极限疲劳寿命持久极限旋转梁疲劳试验机旋转梁疲劳试验机out12l通常钢铁材料(除铸铁外)具有明显的疲劳限特性对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。l通常非铁材料(如:Al、Cu合金)都无真正的水平疲劳限。耐久比:条件持久极限条件持久极限条件持久极限条件持久极限out13依疲劳寿命依疲劳寿命N f 来分类:来分类:out14 许多应用的工程零件无需承受数万次循环许多应用的工程零件无需承受数万次循环(即(即Nf105),),如:汽车启动器上的弹簧零件、如:汽车启动器上的弹簧零件、热交换管及涡轮
7、转子和叶片等。热交换管及涡轮转子和叶片等。依此循环寿命进行零件设计,可大依此循环寿命进行零件设计,可大 量减轻零件质量,降低生产成本。量减轻零件质量,降低生产成本。低周疲劳的特点低周疲劳的特点 典型低周疲劳的应力典型低周疲劳的应力典型低周疲劳的应力典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线应变迟滞曲线应变迟滞曲线应变迟滞曲线Basquin提出关系式:提出关系式:疲劳强度系数近似于抗拉强度疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于值介于-0.05 -0.12之间。之间。out15 典型的应变典型的应变-寿命关系曲线寿命关系曲线 Coffin与与Manson提提出材料塑性变形与疲劳寿出材料塑性变形与疲劳寿命之间的
8、关系式:命之间的关系式:C值介于值介于-0.05 -0.7之间。之间。Basquin与Coffin-Manson关系式合并,得到完整的应力、应变关系式合并,得到完整的应力、应变与疲劳寿命关系式:与疲劳寿命关系式:材料本身的特性也会使应变材料本身的特性也会使应变-寿命曲线有所不同!寿命曲线有所不同!out16 不同性质材料的应变不同性质材料的应变-寿命曲线寿命曲线 当循环应力继续作用,当循环应力继续作用,当循环应力继续作用,当循环应力继续作用,材料的材料的材料的材料的应力应力应力应力-应变曲线形状应变曲线形状应变曲线形状应变曲线形状会产生变化会产生变化会产生变化会产生变化,代表其材质对,代表其材
9、质对,代表其材质对,代表其材质对应力应力应力应力-应变反应的改变。根应变反应的改变。根应变反应的改变。根应变反应的改变。根据迟滞曲线形状变化的不同,据迟滞曲线形状变化的不同,据迟滞曲线形状变化的不同,据迟滞曲线形状变化的不同,可分为四种:可分为四种:可分为四种:可分为四种:循环循环循环循环硬化硬化硬化硬化out17 应变范围固定,则应力范围越来越小。循环循环软化软化 混合行为混合行为out18循环稳定循环稳定应变范围和塑性变形皆不明显应变范围和塑性变形皆不明显多种材料的单向拉伸应力与循环应力的应力-应变曲线循环硬化循环硬化循环软化循环软化out19第二节第二节 疲劳破坏机制疲劳破坏机制 疲劳破
10、坏过程依先后次序可区分为疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段,即:三个主要阶段,即:l 疲劳微裂缝形成疲劳微裂缝形成l 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展l 最终失效断裂最终失效断裂out20A.疲劳微裂缝形成l表面上最大局部应力或最小截面积处,或因材料差异导致的强度最弱强度最弱的地方。如:表面刮痕、缺口等。l l内部缺陷内部缺陷,如夹杂物、晶界、双晶界等强强度较低度较低之处。out21 循环应力作用几千次后,某些晶粒循环应力作用几千次后,某些晶粒中发生位错滑移,滑移线增多将形成永中发生位错滑移,滑移线增多将形成永久滑移带(久滑移带(PSB,含含5000余条滑移线余条滑移线),导致材料表面上出现挤
11、出与挤入,此两导致材料表面上出现挤出与挤入,此两者均会沿着永久滑移带平行发展,最终者均会沿着永久滑移带平行发展,最终形成疲劳微裂缝。形成疲劳微裂缝。out22铜单晶中铜单晶中PSB上的挤上的挤出与挤入区实际照片出与挤入区实际照片out23B.疲劳微裂缝成长 成长速率与成长方向为局部应力集中局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。疲劳裂缝成长,依先后顺序分成:第I阶段:疲劳裂缝沿疲劳裂缝沿PSB方向进行方向进行 第II阶段:垂直应力方向进行垂直应力方向进行out24第第I阶段:阶段:疲劳裂缝沿PSB方向进行l疲劳裂缝沿着高剪切应力平面(即PSB)成长,使初期
12、疲劳裂缝加深,其成长速率相对缓慢,且为单一滑移单一滑移。l若在低应力低应力下,或试片方向具有优选方向(即邻近晶粒的滑移平面几乎相等邻近晶粒的滑移平面几乎相等),则疲劳裂缝可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移,将有利于第有利于第I阶段的成长阶段的成长。out25第第II阶段:阶段:疲劳裂缝垂直应力方向进行 当疲劳裂缝前端的塑性变形由单一滑移进入多重滑多重滑多重滑多重滑移移移移或是疲劳裂疲劳裂疲劳裂疲劳裂缝成长被障碍缝成长被障碍缝成长被障碍缝成长被障碍物阻挡物阻挡物阻挡物阻挡时会进入第II阶段,且成长速度加快,成长方向改变为垂直于应力方向进行.疲劳裂缝尖端反复裂缝尖端反复裂缝尖端反复裂缝尖端反复
13、地塑性钝化和地塑性钝化和地塑性钝化和地塑性钝化和尖锐化尖锐化尖锐化尖锐化,逐渐生长成宏观疲劳裂纹,而达到临界裂纹长度.out26C.最终失效断裂 当疲劳裂纹达到临界长度临界长度时,则材料本身剩下的截面积将无法承受所施加的负荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异常快速且具有毁灭性的材料失效.out27第三节第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征疲劳破坏的宏观与微观特征A.宏观特征宏观特征(Macroscopic Character)疲劳破坏的发展模式导致断口在宏观上分成两个表面形态完全不同的区域.out28l l光滑平整的疲劳破坏区光滑平整的疲劳破坏区 疲劳裂纹疲劳裂纹的起始区域的起始区域,其其成长缓
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