第五章 材料在变动载荷下的力学性能ppt课件.ppt

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1、第五章材料在变动载荷下的力学性能主讲朱协彬目录5.1金属疲劳现象及特点5.2高周疲劳5.3疲劳裂纹扩展5.4疲劳过程及机理5.5低周疲劳5.6疲劳强度的影响因素和改善措施5.7聚合物的疲劳*5.8陶瓷材料的疲劳*5.1金属疲劳现象及特点*材料的设计：材料力学：断裂力学：一次加载的安全性；多次或长期加载的安全性如何？*实例：铁丝的多次弯曲断裂；人体的长期加班工作等。*上章是关于裂纹试件的静力学问题，本章是裂纹扩展的动力学问题。5.1.1变动载荷和循环应力变动载荷（应力）是指载荷大小或方向随时间按

2、一定规律呈周期性变化或无规则随机变化的载荷，前者称为周期变动载荷（应力）或循环载荷（应力），后者称为随机变动载荷。当然，实际机器部件承受的载荷一般多属后者，但就工程材料的疲劳特性分析和评定而言，为简化讨论，主要还是针对循环载荷（应力）而言的。图5-1循环应力的特征循环应力的特征参数（1）最大应力σmax和最小应力σmin（2）应力幅σa或应力范围Δσ（3）平均应力σm或应力比R（4）加载频率f，单位为Hz。（5）加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形等。循环应力的几种典型情况（1）对称循环，σm

3、=0，R＝-1，如图5-1(a)所示。大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。(2)不对称循环，R≠-1，如图5-1(b,c,d,e)。有时把循环中既出现正（拉）又出现负（压）应力的循环谓之交变应力循环（图5-1（a），（e））。(3)脉动循环，σm=σa，R＝0,如图5-1(b)。齿轮的齿和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。(4)波动循环，σm>σa，0＜R＜1,如图5-1(d)。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承

4、受这种循环应力的作用。(5)脉动压缩循环(R＝∝)、大压小拉循环(R<0)等，如图5c，5e。滚珠轴承受到脉动压缩循环应力，内燃机连杆受到大压小拉循环(不对称交变)应力的作用。5.1.2疲劳的现象及特点工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为疲劳。统计分析显示，在机械失效总数中，疲劳失效约占80%以上，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、轧辊等都是在变动载荷下工作的。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生

5、命的损失。*疲劳的分类(1)按应力状态分类弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。（2）按环境和接触情况分类大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。（3）按应力大小和寿命分类高周疲劳：寿命长（105次以上），应力水平小，也称低应力疲劳或应力疲劳。低周疲劳：寿命短（102~105次），应力高，有塑性变形，也称应变疲劳。*研究疲劳的意义研究材料在变动载荷作用下的力学响应、裂纹萌生和扩展特性，对于评定工程材料的疲劳抗力，进而为工程结构部件的抗疲劳设计、评估构件的疲劳寿命以及寻求改善工程材料的

6、疲劳抗力的途径等都是非常重要的。*疲劳断裂特点与静载荷或一次冲击载荷下的断裂相比，疲劳断裂有如下的特点：（1）低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。断裂应力往往低于抗拉强度甚至屈服强度，且寿命与应力大小有关。应力高，则寿命短；应力小，则寿命长。（2）是脆性断裂，断裂时没有发生塑性变形，是突发性的，无预兆。（3）对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷），尤其是表面缺陷十分敏感。裂纹往往从局部的破坏处开始。（4）清楚显示裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分，即疲劳源＋疲劳裂纹扩展区＋断裂区。5.1.3疲劳宏观

7、断口特征断口特征：保留了整个断裂过程的痕迹，是研究疲劳过程和失效原因的重要方法。疲劳断口的三个典型形貌区域：（1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区域（有应力集中）。*当材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点）时，因局部强度的降低，也会在材料内部产生疲劳源。*形貌特点：光亮度大，扩展速小，断面不断摩擦挤压，且有加工硬化发生。（2）疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展所形成的。*特征：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样），有时还有裂纹扩展

8、台阶。*贝纹线：平行弧线，间距不同；在裂纹源附近，线条细密、扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、扩展较快。（3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。*特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料为纤维区。图5-2典型疲劳断口形貌图5-3疲劳条纹示意图5.2高周疲劳高周疲劳是指小型试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命≥105周次的疲劳过程。*由于这种疲劳中所施加的交变应力水平处于材料的弹性变形范围内，所以从理论上讲，试验中既可以控制应力，也可以控制应变，但在试验方法上控制应力要比控制应变容易得多。因