疲劳试验.ppt

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1、疲劳试验疲劳试验引言 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。疲劳属低应力循环延时断裂。不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳断裂是一种非常危险的断裂。工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。第一节 疲劳的基本概念一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为循环应力。（P94-图5-1）2、循环应力 （1）循环应力的特性 平均应力 mm=1/2（maxmax+minmin）应力幅 a a=1/2（maxmax-minmin）应力循环对称系数 =mi

2、nmin/maxmax （2）循环应力的种类（P95-图5-2）对称；脉动；不对称循环应力。二、疲劳分类及特点 1、分类 （1）按试样的加载方式分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。（2）按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。（3）按机件所受应力的大小和加载频率的高低可分为：高周疲劳高周疲劳（Nf105周次）,因断裂应力低（s s），所以也叫低应力疲劳低应力疲劳；低周疲劳低周疲劳（Nf 102105周次），由于断裂应力水平高，s s，往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或高应力疲劳（或应变疲劳）应变疲劳

3、）。2、特点 （1）断裂应力b b，甚至-1p-1一、疲劳极限的测定一、疲劳极限的测定第一步第一步 采用升降法测定条件疲劳极限，采用升降法测定条件疲劳极限，第二步第二步 用成组法测定用成组法测定一一N曲线有限寿命段上各点曲线有限寿命段上各点的数据，的数据，第三步第三步 绘制绘制一一N曲线。曲线。三、疲劳极限与静强度之间的关系三、疲劳极限与静强度之间的关系 钢：钢：-1p-1p=0.23=0.23（s s+b b）-1-1=0.27=0.27（s s+b b）铸铁：铸铁：-1p-1p=0.4=0.4b b -1-1=0.45=0.45b b 铝合金：铝合金：-1p-1p=b b/6+7.5(MP

4、a)/6+7.5(MPa)-1p-1p=b b/6-7.5(MPa)/6-7.5(MPa)第三节第三节 疲劳破坏机理疲劳破坏机理 （疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展、断裂。）一、裂纹萌生及机理 常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：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 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（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

5、-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。2、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。3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）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。二、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，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1nm数量级。第二阶段 II区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率m级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）（见书上图4-22）。一条辉纹就是一次循环的结果。2、疲劳裂纹扩展模型（1）Laird塑性

6、钝化模型 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（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。返回返回三、疲劳宏观断口的特征 断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。（P107图5-24）1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲

7、劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。返回返回第四节 低周疲劳与热疲劳 疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周疲劳。一、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 2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。二、金属的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，则称为循环硬化；反之为循环软化。应力

8、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。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。2、循环软化的危害 使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。3、原因 决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。b/s1.4循环硬化 b/s1.2循环软化 微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。三、低周疲劳的应变寿命曲线 低周疲劳的N曲线，数据离散。1、总应变幅tN曲线 e/22Nf，p/22Nf，t/22Nf，两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。2、N关系式曼森公式 断裂

9、真实伸长率 曼森柯芬关系式 pNfz=C Z、C材料常数 Z=0.20.7;C0.5ef1.0ef 用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。返回返回四、热疲劳 1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀；内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变 导致裂纹的萌生，扩展。3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径 材料 减小热膨胀系数，提高，均匀性，高温强度。工件状况 减小应力集中。使用 减小热冲击。结束结束