金属的疲劳优秀PPT.ppt

《金属的疲劳优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属的疲劳优秀PPT.ppt（32页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、金属的疲劳第一页，本课件共有32页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第九页，本课件共有32页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=

2、（b b/6）-7.5(MPa)青铜：-1p-1p=0.21b b 第十页，本课件共有32页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

3、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)第十一页，本课件共有32页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

4、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第十二页，本课件共有32页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。第十三页，本课件共有32页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-

5、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！而言，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。第十四页，本课件共有32页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

6、a a 随随N N循环扩展的尺寸增循环扩展的尺寸增长情况。长情况。2 2 1 1作aN曲线曲线斜率 da/dN 为裂纹扩展速率，表示每循环一表示每循环一次裂纹扩展的距离次裂纹扩展的距离；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。第十五页，本课件共有32页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区最后阶段第十六页，本课件

7、共有32页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寿命的主要区是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。段。III区（最后段）K K，da/dNda/dN，裂纹失稳扩展。，裂纹失稳扩展。第十七页，本课件共有32页18（4）疲劳裂纹扩展门槛值Kthth

8、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

9、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）第十八页，本课件共有32页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:

10、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）第十九页，本课件共有32页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（N

11、ote：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）第二十页，本课件共有32页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

12、-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二十一页，本课件共有32页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)，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m 0.1m 数量级。数量级。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；扩展速率达应力方向；扩展

13、速率达mm级；可以穿晶扩级；可以穿晶扩展，形成疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）展，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。第二十二页，本课件共有32页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。第二十三页，本课件共有32页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、

14、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。第二十四页，本课件共有32页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

15、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二十五页，本课件共有32页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（在应力较高应力较高、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）

16、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。第二十六页，本课件共有32页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；反之为循环软循环软化化。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。第三十二页，本课件共有32页