材料的疲劳性能课件.ppt
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1、关于材料的疲劳性能第1页,此课件共41页哦18501850-1860,Whler-1860,Whler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故,提出了先生用试验方法研究了车轴的断裂事故,提出了应力应力-寿命图(寿命图(S-N)S-N)和疲劳极限概念。和疲劳极限概念。1870-18901870-1890,GerberGerber研究了平均应力对寿命的影响,研究了平均应力对寿命的影响,GoodmanGoodman提出了完整的提出了完整的平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。1920-Griffith1920-Griffith用能量
2、法研究了含裂纹体的有关材料强度理论,用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论,初步奠初步奠定了事隔定了事隔2020年后由年后由IrwinIrwin发展起来的断裂力学理论基础。发展起来的断裂力学理论基础。19451945年由年由MinerMiner提出的线性累计损伤理论问世;提出的线性累计损伤理论问世;19601960年,年,Manson-CoffinManson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系;提出了塑性应变与疲劳寿命的关系;19611961年年ParisParis提提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。出了疲劳裂纹扩展速率的概念。19741974年美国军方采用了损伤容损设计方法;年美国军
3、方采用了损伤容损设计方法;目前,材料的疲劳研究方兴未艾,断裂力学、损伤力学和材料物理学结合,目前,材料的疲劳研究方兴未艾,断裂力学、损伤力学和材料物理学结合,已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。前言前言第2页,此课件共41页哦材料的疲劳问题研究从近材料的疲劳问题研究从近150150多年开始一直受到人们的关注,原因之一就多年开始一直受到人们的关注,原因之一就是工程中的零件或构件的破坏是工程中的零件或构件的破坏80%80%以上以上是由于疲劳引起。是由于疲劳引起。前言前言疲劳破坏表现的形式:疲劳破坏表现的形式:机械疲劳机械疲劳外加应
4、力外加应力/应变波动造应变波动造成的。成的。蠕变疲劳蠕变疲劳循环载荷与高温联合作循环载荷与高温联合作用下的疲劳。用下的疲劳。热机械疲劳热机械疲劳循环受载部件的温度循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。电致疲劳等等。第3页,此课件共41页哦前言前言1 1、变动载荷、变动载荷 疲劳断裂。疲劳断裂。前言前言2 2、研究疲劳的一般规律、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。疲劳力学性能及其影响因素等。第4页,此课件共41页哦第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性
5、能5.1 5.1 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律5.2 5.2 疲劳破坏的机理(简述)疲劳破坏的机理(简述)5.3 5.3 疲劳抗力指标疲劳抗力指标5.4 5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素影响材料及机件疲劳强度的因素(自学自学)5.5 5.5 热热 疲疲 劳劳(自学自学)第5页,此课件共41页哦5.1 5.1 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力二、疲劳破坏的概念和特点二、疲劳破坏的概念和特点三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征第6页,此课件共41页哦一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力1 1、疲劳:、疲劳:变动载荷和应变变
6、动载荷和应变长期作用长期作用 累积损伤累积损伤断裂。断裂。2 2、变动载荷:、变动载荷:载荷大小,甚至方向随时间而变化的载荷。载荷大小,甚至方向随时间而变化的载荷。3 3、变动应力:、变动应力:变动载荷在单位面积上的变动载荷在单位面积上的平均值平均值。4 4、变动应力分类:、变动应力分类:规则周期变动应力规则周期变动应力(或称循环应力或称循环应力);无规则随机变动应力。无规则随机变动应力。5 5、循环应力:、循环应力:周期性变化的应力。周期性变化的应力。有有正弦波正弦波、矩形波和三角波等。、矩形波和三角波等。最常见的为正弦波。最常见的为正弦波。第7页,此课件共41页哦一、疲劳破坏的变动应力一、
7、疲劳破坏的变动应力6 6、表征应力循环特征的参量、表征应力循环特征的参量 最大循环应力最大循环应力maxmax,最小循环应力最小循环应力minmin;平均应力平均应力 m m(maxmax+minmin)/2)/2;应力幅应力幅或或应力范围应力范围:=/2=(=/2=(maxmax-minmin)/2)/2;应力比应力比 r rminmin/maxmax。载荷谱:载荷谱:载荷载荷-时间历程曲线时间历程曲线第8页,此课件共41页哦一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力7 7、循环应力类型:、循环应力类型:(1)(1)对称循环对称循环:m m0 0,r r-1-1。(2)(2)不对称循环不对
8、称循环:m m00,-1r1-1r00,r r0 0 或或 m m0,0 0r r1 1。(5)(5)随机变动应力:随机变动应力:循环应力呈随机变化。循环应力呈随机变化。第9页,此课件共41页哦二、疲劳破坏的概念和特点二、疲劳破坏的概念和特点1 1、疲劳破坏的概念:、疲劳破坏的概念:(1)(1)疲劳的破坏过程:疲劳的破坏过程:变动应力变动应力薄弱区域的组织薄弱区域的组织 逐渐发生变化和损伤累积、开裂逐渐发生变化和损伤累积、开裂 裂纹扩展裂纹扩展突然断裂。突然断裂。(2)(2)疲劳破坏:疲劳破坏:循环应力引起的延时断裂,循环应力引起的延时断裂,其其断裂应力断裂应力水平往往低于材料的水平往往低于材
9、料的抗拉强度抗拉强度,甚至低于其屈服强度。,甚至低于其屈服强度。(3)(3)疲劳寿命:疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间。机件疲劳失效前的工作时间。(4)(4)疲劳断裂:经历了裂纹萌生和扩展过程。疲劳断裂:经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。第10页,此课件共41页哦二、疲劳破坏的概念和特点二、疲劳破坏的概念和特点2 2疲劳破坏的特点:疲劳破坏的特点:(1)(1)一种潜藏的突发性破坏,呈一种潜藏的突发性破坏,呈脆性断裂脆性断裂。(2)(2)疲劳破坏属低应力循环疲劳破坏属低应力循环延时延时断裂。断裂
10、。(3)(3)对缺陷具有高度的选择性。对缺陷具有高度的选择性。(4)(4)可按不同方法对疲劳形式分类。可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分,按应力状态分,有有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。按应力高低和断裂寿命分,按应力高低和断裂寿命分,有有高周疲劳高周疲劳(低应力疲劳,低应力疲劳,s)和和低周疲劳低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳高应力疲劳或应变疲劳)。第11页,此课件共41页哦三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征1 1、典型疲劳断口具有、典型疲劳断口具有3 3个特征区个特征区 疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。疲劳源、
11、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2 2、疲劳源:、疲劳源:(1)(1)多出现在机件表面,多出现在机件表面,常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等夹杂、白点等)有关。有关。(2)(2)疲劳源区比较光亮,该区表面硬度有所提高。疲劳源区比较光亮,该区表面硬度有所提高。(3)(3)疲劳源可以是一个,也可以是多个。疲劳源可以是一个,也可以是多个。第12页,此课件共41页哦三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征3 3、疲劳区:、疲劳区:(1)(1)断口较光滑并分布有贝纹线断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样或海滩花样),有时还有裂纹扩展台阶。有时还有裂纹扩展台阶。
12、(2)(2)断口光滑是疲劳源区的延续,断口光滑是疲劳源区的延续,其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱;其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱;(3)(3)贝纹线是疲劳区的最典型特征,贝纹线是疲劳区的最典型特征,一般认为是因载荷变动引起的。一般认为是因载荷变动引起的。每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线,每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线,凹侧指向疲劳源,凸侧指向裂纹扩展方向。凹侧指向疲劳源,凸侧指向裂纹扩展方向。第13页,此课件共41页哦三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征4 4、瞬断区:、瞬断区:(1)K(1)KKKcc时,裂纹就时,裂纹就失稳快速扩展失稳快速扩展,导致机件瞬时断裂,导致
13、机件瞬时断裂 断口粗糙,脆性断口呈结晶状;断口粗糙,脆性断口呈结晶状;韧性断口,在心部平面应变区呈放射状或人字纹状,韧性断口,在心部平面应变区呈放射状或人字纹状,边缘平面应力区则有剪切唇区存在。边缘平面应力区则有剪切唇区存在。(2)(2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。瞬断区一般应在疲劳源对侧。第14页,此课件共41页哦第15页,此课件共41页哦5.2 5.2 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理(自学)二、非金属材料疲劳破坏机理(自学)第16页,此课件共41页哦一、金属材料疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理分为三个主要阶段:分为三
14、个主要阶段:1 1、疲劳裂纹形成,、疲劳裂纹形成,2 2、疲劳裂纹扩展,、疲劳裂纹扩展,3 3、当裂纹扩展达到临界尺寸时,发生最终的断裂。、当裂纹扩展达到临界尺寸时,发生最终的断裂。第17页,此课件共41页哦1、疲劳微裂纹的形成、疲劳微裂纹的形成疲劳微裂纹由疲劳微裂纹由不均匀滑移不均匀滑移和显微开裂引起。和显微开裂引起。表面滑移带开裂;表面滑移带开裂;第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂;晶界第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂;晶界或亚晶界处开裂。或亚晶界处开裂。在环载荷作用下在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度,也会在试件表面形成滑移带即使循环应力不超过屈服强度,也会在试
15、件表面形成滑移带,称为称为循环滑移带循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀,而循环滑移带则集中于某些局部区域。拉伸时形成的滑移带分布较均匀,而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入挤出与挤入,从而在试件表面形成微观,从而在试件表面形成微观切口切口。第18页,此课件共41页哦循环滑移带的持久性:循环滑移带的持久性:v疲劳的初期,出现滑移带。随着循环数的增加,滑移带增加。疲劳的初期,出现滑移带。随着循环数的增加,滑移带增加。v除去滑移带,重新循环加载,滑移带又在原处再现。除去滑移带,重新循环加载,滑移带又在原处再现。v这种滑移带称为这种滑移带称
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