材料力学4.ppt
交交变变载载荷荷即即变变动动载载荷荷，了了解解变变动动载载荷荷的的特特性性及及表表示示方方法法：即即大大小小，方方向向随随时时间间变化变化失效形式失效形式：疲劳断裂疲劳断裂 从工程应用观点：从工程应用观点：研究金属疲劳的一般研究金属疲劳的一般规律，疲劳破坏过程及机理，疲劳力学规律，疲劳破坏过程及机理，疲劳力学性能及其影响因素，以便为疲劳设计和性能及其影响因素，以便为疲劳设计和选用材料建立基本思路和提供基础知识。选用材料建立基本思路和提供基础知识。第四章第四章 材料在交变载荷下的力材料在交变载荷下的力学行为学行为三图均为疲劳条三图均为疲劳条纹纹在交变应力作用下的损坏为疲劳破坏零件80以上的失效属于疲劳破坏如 轴类：火车轴为弯曲疲劳;汽车传轴，后桥半轴为扭转疲劳；柴油机曲轴和汽轮机主轴则为弯曲和扭转疲劳复合；缸盖螺栓大拉小拉应力状态，拉拉疲劳。连杆为小拉大压状态，叫拉-拉疲劳动态：当，循环次数后断裂4.1 4.1 4.1 4.1 疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点断断裂裂时时并并无无明明显显的的宏宏观观塑塑性性变变形形，贝壳状疲劳断裂，和脆断不同，脆断为河流花样，即使塑性好的材料，也是突然的破坏。低低应应力力脆脆断断，断裂时没有发生塑性变形 清楚显示裂纹的发生，扩展和最后断裂三个组成部分。疲疲劳劳源源疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区断裂区区断裂区特点特点 疲劳断口特征疲劳断口特征疲劳断口特征疲劳断口特征 v由于缺口应力集中，由于缺口应力集中，形成疲劳源形成疲劳源 v裂纹扩展，裂纹扩展，形成贝壳状或海滩状形成贝壳状或海滩状条纹条纹 v断裂区的缺口断裂区的缺口 对塑性材料，为纤维状对塑性材料，为纤维状 对脆性材料，为结晶状断口对脆性材料，为结晶状断口 应变疲劳（应变疲劳（LCFLCF）：low cycles fatigue热疲劳：热疲劳：Thermal Fatigue,由温度场造成的冷热变化产生温度应力（热断模，热轧轮）。产生热应力必须具备两个条件：温度变化和机械约束 机械疲劳：机械疲劳：Thermal Mechanical Fatigue 温度循环机械应力循环叠加所引起疲劳应力疲劳应力疲劳(HCF),(HCF),高周疲劳（高周疲劳（high cycles high cycles fatiguefatigue）腐蚀疲劳：腐蚀疲劳：（Corrosion Fatigue）冲击疲劳：冲击疲劳：在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。4.2 S-N4.2 S-N曲线和疲劳缺口敏感度曲线和疲劳缺口敏感度对疲劳寿命的估算可以有三种方法：S-N法 N法 断裂力学计算 4.2.1 S-N4.2.1 S-N曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限S-NS-N曲线是仿照火车轴的失效，用旋转弯曲疲曲线是仿照火车轴的失效，用旋转弯曲疲劳试验方法测得的。劳试验方法测得的。优优 点点：比比 较较 简简 单单,求求 得得 的的 能能 与与 其其 他他 疲疲 劳劳 的的 建立关系，可推广到不对称循环的疲劳强度。建立关系，可推广到不对称循环的疲劳强度。试验条件：试验条件：纯弯曲纯弯曲 完全对称循环完全对称循环 应力幅恒定应力幅恒定 次次/分分 小试样有足够大的过渡圆角。小试样有足够大的过渡圆角。疲劳极限指循环次数大于次的疲劳应力疲劳极限指循环次数大于次的疲劳应力 几种材料的几种材料的S-NS-N曲线曲线疲劳极限疲劳极限 指循环次数大于次的疲劳应力指循环次数大于次的疲劳应力 光滑试样的疲劳极限和材料的抗拉强光滑试样的疲劳极限和材料的抗拉强度有一定的经验关系度有一定的经验关系 当当 1200-1400MN/m1200-1400MN/m2 2，光滑试样的光滑试样的 与与 呈直线关系，呈直线关系，/0.5/0.5 钢的成钢的成分和组织对其影响不大。分和组织对其影响不大。对对AlAl：/0.3-0.350.3-0.35 4.2.2 4.2.2 不对称循环应力下的疲劳不对称循环应力下的疲劳极限和疲劳图极限和疲劳图几种常见零件的应力循环任一循环应力都可分解为平均应力 和应力半幅a应力范围：应力范围：应力半幅：应力半幅：平均应力：平均应力：应力比：应力比：R R1 1，完全对称，完全对称，R R0 0，脉动，脉动,R R1,1,静载静载在保证一定寿命的前提下，当在保证一定寿命的前提下，当 平均应力对疲劳寿命的影响平均应力对疲劳寿命的影响G G关系：关系：脆性材料脆性材料GerGer关系：关系：塑性材料塑性材料S S关系：关系：大多数工程材料比较保守大多数工程材料比较保守 为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸 为有效应力集中系数 :光滑试样的疲劳极限。光滑试样的疲劳极限。：缺口试样的疲劳极限：缺口试样的疲劳极限 的大小既和缺口的尖锐度，也和材料特的大小既和缺口的尖锐度，也和材料特性有关。性有关。对缺口完全不敏感对缺口完全不敏感;对缺口十分敏感对缺口十分敏感4.2.3 4.2.3 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度q q 4.3.1 Paris 4.3.1 Paris 方程方程 c，n为材料常数。，a为特定指数。为裂纹尖端的应力强度因子幅度 积分后可估算扩展寿命或剩余寿命,c,m为材料试验常数，m 2.4在高周疲劳裂纹扩展的一般规律，它不受试样几何形状和加载方式的影响，作为材料疲劳性能。4.3.2 4.3.2 疲劳裂纹扩展的三个阶疲劳裂纹扩展的三个阶段及其影响因素段及其影响因素 :Fatigue threshold 疲劳门槛值 当 裂纹不扩展 4.5 4.5 低周疲劳，低周疲劳，曲线曲线一般规律：交变应力很大，低周次一般规律：交变应力很大，低周次（1010-100 n10-100 分散性远大于金属分散性远大于金属 金属：金属：陶瓷：陶瓷：同一数量级。同一数量级。范围窄，测试困难范围窄，测试困难
