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金属的疲劳第1页，此课件共32页哦2 材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。疲劳破坏时的最大应力b b，甚至 105 周次、s s)、低周疲劳（Nf=（104 105）周次，s s,往往有塑性应变）。4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳（2）疲劳的特点1）断裂应力b b，甚至-1p-1p-1-1第9页，此课件共32页哦10 （3）疲劳极限与静强度之间的关系 钢：-1p-1p=0.23（s s+b b）-1 -1 =0.27（s s+b b）铸铁：-1p-1p=0.4b b -1-1=0.45b b 铝合金：-1p-1p=（b b/6）+7.5(MPa)-1-1=（b b/6）-7.5(MPa)青铜：-1p-1p=0.21b b 第10页，此课件共32页哦11（4）不对称循环疲劳极限（r r）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。或者采用回归的公式求得。1）应力幅a a平均应力mm图 y轴上的边界点为0和-1-1 x轴上的边界点为0和b b 将maxmax分解成不同应力比r时的a a和mm，作图。A点：m m=0，r=-1,a a=-1-1；C点：m m=b b，r=1,a a=0 ；运用时，ABC曲线上各点纵、横坐标表示每一 r 值下疲劳极限a a、mm之和，已知r，r r=a a+mm。NoteNote：0 0 为脉动循环的疲劳极限为脉动循环的疲劳极限tan tan 1 1；4545（如图）（如图）tan a/m (1-r)/(1+r)第11页，此课件共32页哦122）maxmaxmm 图 y轴上的边界点为-1-1和-1-1，x轴则同前图。maxmax=b b，利用不同的应力比r来作图。B点：m m=0，r=-1,a a=-1-1，max max=-1-1；A点：m m=b b，r=1,a a=0；max max=b b；图5-11为脆性材料的maxmax-mm疲劳图，AHB曲线就是在不同r值下的疲劳极限maxmax。若为韧性材料maxmax=0.20.2（图5-12）3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用b b，-1-1，0.20.2和r，求得r rtan max/m 2/(1+r)-1 r 1第12页，此课件共32页哦135.2.3 抗疲劳过载能力过载持久值 材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称过载持久值，也称有限疲劳寿命。疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。过载损伤界由实验测定。疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。第13页，此课件共32页哦145.2.4 疲劳缺口敏感性 （缺口应力集中疲劳极限）疲劳缺口敏感度q 0q1)为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸。Kf f为疲劳缺口系数，-1-1和-1N-1N分别为光滑与缺口试样的疲劳极限，Kf f的大小也和材料特性有关。q=0，表示对缺口完全不敏感；q=1，则表示对缺口十分敏感。影响q的因素：构件材料的强度、硬度上升，强度、硬度上升，q q上升，即敏感上升，即敏感(表明：对承受疲劳载荷而言，表明：对承受疲劳载荷而言，高强度材料的表面加工质量十分重要！高强度材料的表面加工质量十分重要！)缺口尖锐度上升，缺口尖锐度上升，q q下降。下降。第14页，此课件共32页哦155.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值5.3.1 疲劳裂纹扩展曲线高频疲劳试验机上测定；预制裂纹长度a0 0、固定应力比r和应力幅a a，（应力范围）观察裂纹长度观察裂纹长度a a 随随N N循环扩展的尺寸增长循环扩展的尺寸增长情况。情况。2 2 1 1作aN曲线曲线斜率 da/dN 为裂纹扩展速率，表示每循环一次表示每循环一次裂纹扩展的距离裂纹扩展的距离；当裂纹达到ac c，da/dN 无限大。若改变应力，将1 1 增加到2 2,则裂纹扩展加快。第15页，此课件共32页哦165.3.2 疲劳裂纹扩展速率（1）引入断裂韧度的概念 K=Kmaxmax-Kminmin=Y*1/21/2 研究 da/dN K之间的函数关系。裂纹的每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。（2）lg(da/dN)lgK曲线疲劳裂纹扩展I区初始阶段；II区主要阶段III区最后阶段第16页，此课件共32页哦17（3）曲线分析I区（初始段）KK的变化范围很小（的变化范围很小（KKth th），），da/dN da/dN 几乎接近几乎接近 0 0，裂纹不扩展；，裂纹不扩展；KKKKthth K K，da/dNda/dN缓慢，裂纹有扩展，但不快。缓慢，裂纹有扩展，但不快。II区（主要段）K K，da/dN da/dN 明显，裂纹亚稳扩展（恒速），明显，裂纹亚稳扩展（恒速），II II区是决定疲劳裂纹扩展区是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。寿命的主要段。III区（最后段）K K，da/dNda/dN，裂纹失稳扩展。，裂纹失稳扩展。第17页，此课件共32页哦18（4）疲劳裂纹扩展门槛值Kthth 定义Kthth为门槛值 单位MNm-3/2-3/2或MPamMPam1/21/2意义：意义：KK KKthth,裂纹不扩展。裂纹不扩展。KK KKthth,da/dN 0,da/dN 0,疲劳裂纹开始扩展。疲劳裂纹开始扩展。Kth不好测定。规定:平面应变条件下，da/dN=10-6-6 10-7-7 mm/周次时,对应的K来代替KKthth，称为工程疲劳门槛值工程疲劳门槛值。KKthth是阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料力学性能指标-1-1：光滑试样的无限寿命疲劳强度（传统疲劳强度设计及校核）KKth th：裂纹试样的无限寿命疲劳性能（适于裂纹体的设计及校核）。实际上，该指标太过于保守，目前比较科学、经济的做法是对重要构件采用有限疲劳寿命设计。5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比r，曲线向左上方移动。（see 图518）（2）过载峰 适当过载反而有益。（see 图519）第18页，此课件共32页哦195.3.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算 常选用Paris公式。da/dN=C(K)n n （511）c、n 材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对 n 的影响不大，多数材料的n值在 24 之间变化。（参阅P109P111）（3）显微组织 对I、III区的 da/dN 影响比较明显。晶粒粗大，Kth值越高；韧性相可使Kth。钢中 F ，Kth；钢的淬火组织中，M:B下:AR 1:4:7 (各含量对Kth的大致贡献的大致贡献)喷丸强化，Kth 几种工程材料的 Kth值（See 表52，由大到小:纯NiNi基合金低合金钢 18-8不锈钢）第19页，此课件共32页哦205.4 疲劳过程及机理疲劳过程：裂纹萌生亚稳扩展失稳扩展断裂5.4.1 裂纹萌生及机理常将0.050.050.1mm0.1mm的裂纹的裂纹定为疲劳裂纹核疲劳裂纹核。据此定义疲劳裂纹萌生期。疲劳裂纹萌生期。裂纹萌生的原因：裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式：方式：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。(1)滑移带开裂 1）驻留滑移带 交变载荷作用，通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽（Note：永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带,图522）2）挤出峰和挤入槽 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。（柯垂耳-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。（图523）第20页，此课件共32页哦21(2)相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂y与基体）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。(3)晶界处开裂 晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。当晶界处有低熔点夹杂、成分偏析、回火脆，晶界析氢，晶粒粗化，均易产生晶界裂纹，降低-1-1。裂纹萌生后，即进入疲劳裂纹扩展阶段疲劳裂纹扩展阶段第21页，此课件共32页哦225.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理(1)裂纹扩展的两个阶段第一阶段 沿主滑移系沿主滑移系(最大切应力方向最大切应力方向)，以纯剪，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m 0.1m 数量数量级。级。多数裂纹会成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展23个晶粒范围。此时断口看不到什么形貌，很难分析。第二阶段 疲劳裂纹亚稳扩展 在在da/dN da/dN 的的II II区。区。因晶界的持续阻碍，使扩展方向逐渐垂直于主应因晶界的持续阻碍，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率达力方向；扩展速率达mm级；可以穿晶扩展，级；可以穿晶扩展，形成疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）形成疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）（See See 图图5-255-25）：）：每一条带视为一次应力循环的结果。每一条带视为一次应力循环的结果。第22页，此课件共32页哦23(2)疲劳裂纹扩展模型 1）Laird 塑性钝化模型 交变拉压应力作用 裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。第23页，此课件共32页哦24 2）再生核模型 疲劳裂纹的扩展是断续的。主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。第24页，此课件共32页哦255.5 影响疲劳强度的因素（SeeP115）5.5.1 材料内因 (1)化学成分 各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高：C间隙固溶强化和形成碳化物进行弥散强化，提高形变抗力；合元提高淬透性和改善强韧性，-1。(2)显微组织 细晶，-1 热处理后的结构钢：M回 T回 S回；等温淬火的B下 淬火回火组织；淬火组织中的未溶F，未转变的A及非M组织等，因比M软，易过早形成疲劳裂纹，-1。(3)非金属夹杂及冶金缺陷 非金属夹杂，其尺寸、数量(真空熔炼、真空浇铸)，-1；冶炼和轧制中的气孔、缩孔、偏析、白点、折叠，以及铸锻焊热处理中的缩孔、裂纹、过烧及过热等，-1。夹杂物沿压延方向呈流线分布，横向-1。5.5.2 材料表面状态和工件结构(1)表面状态 应力集中（选用疲劳缺口敏感度qf低、疲劳缺口系数Kf低的材料，设计时增大缺口根部过渡圆角）；表面粗糙度 (2)残余应力及表面强化（喷丸与滚压）(3)表面及化学热处理第25页，此课件共32页哦265.6 低周疲劳定义：疲劳寿命为102105次的疲劳断裂，称为低周疲劳低周疲劳（在应应力较高力较高、循环次数较少循环次数较少的疲劳断裂）5.6.1 低周疲劳的特点 (1)局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。总应变 t=e+p 用t/2（2Nf）或 p/2（2Nf）描叙疲劳规律。(2)裂纹成核期短，有多个裂纹源；断口呈韧窝状、轮胎花样状。(3)疲劳寿命取决于塑性应变幅p。第26页，此课件共32页哦275.6.2 低周疲劳的金属循环硬化与循环软化(1)定义与特点 恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，称为循环硬化循环硬化；反之为循环软化循环软化。应力-应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态。If 循环应力-应变曲线高于单次应力-应变曲线，则是循环硬化；反之为循环软化。（See图533）退火态的塑性材料循环硬化；已加工硬化的材料循环软化。材料的（b b/s s 1.4)循环硬化;（b b/s s 105,具有典型的疲劳断口。AkN(2)影响冲击疲劳的因素 小能量多冲击 主要为强度。较大能量时 冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时 则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。第32页，此课件共32页哦