【力学教案】 金属疲劳试验

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1、第八章金属疲劳试验8—8第八章金属疲劳试验1、实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。2、失效形式：主要为疲劳断裂，占80％以上。3、表现为突然断裂，危害极大。无论材料为韧材还是脆材均表现为突然断裂。第一节金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力变动载荷是引起疲劳破坏的外力，所以有必要在研究疲劳时首先研究变动载荷的特点和表示方法。1、定义：是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。2、分类：分循环应力：大小或大小和方向随时间变化按一定规律呈周期性变化。交变应力：载荷大小、方向均随时间作周期性变化。重复载荷：载荷大小呈周期性变化，但方向不变。随机变动应力：载荷

2、大小、方向呈无规则随机变化。3、循环应力表示的表示方法：常用以下几个参量来表示：最大应力；最小应力；平均应力；应力半幅；应力循环对称系数（应力比）r(R)。见上图。4、常见的几种循环应力有：对称循环应力（r=-1）；脉动应力（r＝0；r＝－∞第八章金属疲劳试验8—8第八章金属疲劳试验8—8）；波动应力（0

3、可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳。按断裂寿命和应力高低不同可分为（经常采用此方法）：高周疲劳：循环周次（Nf）>105，属低应力疲劳。低周疲劳：循环周次102～105，高应力疲劳或应变疲劳2、疲劳断裂的特点疲劳断裂与静载荷断裂或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：①疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。②疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆。③对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。二、疲劳宏观断口特征疲劳断裂和其它断裂一样，其断口上保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的特征；这些特征还受材料

4、性质、应力状态、应力大小及环境因素影响。因此，疲劳断口分析是研究疲劳过程和失效原因的重要方法之一。典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。第八章金属疲劳试验8—8第八章金属疲劳试验8—81、疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地。①特征：一般在表面；光亮；一个或几个②形成原因经常在机件表面缺陷处：缺口、裂纹、刀痕、台肩、键槽等；脱碳、夹杂物、软点。光亮：形成裂纹后的断面，在应力循环过程中不断摩擦挤压的结果（光亮、平滑）。一个或多个：与应力状态有关。例单向弯曲有一个；双向弯曲有二个。2、疲劳裂纹扩展区：①特征：贝纹线（海滩花样）贝纹线是以疲

5、劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。垂线为裂纹扩展方向。②形成原因：载荷变化引起的。如：开启和停歇、改变频率、偶然过载等。（实验室的断口因载荷平稳而难以看到）。③影响：拉压变动载荷：无应力集中时，裂纹等速扩展，平行的圆弧有应力集中时，贝纹线沿表面扩展快。弯曲循环载荷：因表面应力高，贝纹线与缺口机件类似。当材料脆性增加时，贝纹线不明显，甚至消失。第八章金属疲劳试验8—8第八章金属疲劳试验8—81、瞬时断裂区：①特征：同静载断口。脆材为结晶状，韧材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇

6、。②形成原因：随裂纹扩展，当a＝ac时，KⅠ=KⅠC,裂纹将失稳扩展，形成瞬断区。③影响：一般在疲劳源对侧旋转弯曲时，瞬断区的位置沿逆旋转方向偏转一定角度。应力大，瞬断区便大。材质韧性差，为结晶状断口；韧性好则在中间平面应变区为放射状或人字纹，边沿为剪切唇。扭转循环载荷：均看不见贝纹线正断：与轴线呈45°角，锯齿状或星形状。切断：┴轴向综上所述，对于韧性材料，一般三个区均可较明显；脆性材料，整个断口齐平光亮，三个区用肉眼难以观察到。四、疲劳断口的微观特征——疲劳辉纹（疲劳条带、疲劳条纹）①疲劳辉纹主要有：塑性辉纹和脆性辉纹（解理辉纹）两种。②两种辉纹的区别：脆性

7、辉纹出现在解理平面上，河流花样的放射线和辉纹相交并近似垂直。③有些疲劳断口上看不到疲劳辉纹。④贝纹线和疲劳辉纹的区别：贝纹线是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。形成原因不同。疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。二者可以同时出现，也可以不同时出现。有时在宏观断口上看不到贝纹线；在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。第八章金属疲劳试验8—8第八章金属疲劳试验8—8第二节高周疲劳试验疲劳抗力指标主要有：疲劳极限、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（一）疲劳曲线和疲劳极限金属承受的最大交变应力与断裂时应力交

8、变次数（循环次数，即疲劳