材料力学性能第8章.ppt

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1、第八章金属的疲劳金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。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命的损失。疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。8.1绪言疲劳失效的过程和机制。介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。介绍一些疲劳研究的新成果。金属疲劳的基本概念和一般规律。本章主要介绍具体目的：▲精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；▲采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿，从而

2、提高产品质量。8.2金属在对称循环应力下的疲劳循环应力是指应力随时间呈周期性的变化，变化波形通常是正弦波，如图8-1所示。图8-1各种循环加载方式的应力-时间图。8.2.1循环加载的特征参数③加载频率f，单位为Hz。还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形②平均应力σm或应力比Rσm＝(σmax+σmin)／2R=σmin/σmax①应力幅σa或应力范围Δσσa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2,σmax和σmin分别为循环最大应力和循环最小应力；循环应力的特征参数：循环应力分为下列几种典型情况：(1)交变对称循环，σm=0，R＝-1，如

3、图8-1(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)交变不对称循环，0＜σm＜σa，-1＜R＜0，如图8-1(b)所示。结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。(3)脉动循环，σm=σa，R＝0，如图8-1(c)所示。齿轮的齿根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8-1(d)所示。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。(5)脉动压缩循环、大压小拉循环等等。滚珠轴承受到脉动压缩循环应

4、力，内燃机连秆受到大压小拉循环应力的作用。图8-3典型的疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线又称为Wohler曲线；习惯上也称作S-N曲线。从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义为该试件的疲劳寿命Nf。8.2.2疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线可以分为三个区：(1)低循环疲劳(LowCycleFatigue)区在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。(2)高循环疲劳(HighCycleFatigue)

5、区在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf＞105次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。(3)无限寿命区或安全区试件在低于某一临界应力幅σac的应力下，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限；即σa≤σac，Nf→∞。故可将σac称为材料的理论疲劳极限或耐久限。在绝大多数情况下，S-N曲线存在一条水平渐近线，其高度即为σac.（见图8-3）。几种材料的S-N曲线疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试

6、件所能承受的上限应力幅值。指定寿命通常取Nf=107cycles。在应力比R=-1时测定的疲劳极限记为σ-1。测定疲劳极限最简单的方法是所谓的单点试验法。常采用升降法测定疲劳极限。工程上的定义8.2.3疲劳极限及其实验测定疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限循环应力幅值。8.3非对称循环应力下的疲劳大多数机械和工程结构的零件，是在非对称循环应力下服役的。实质是研究平均应力或应力比对疲劳寿命的影响。8.2.4疲劳寿命曲线的数学表达式在高循环疲劳区，当R＝-1时，疲劳寿命与应力幅间的关系可表示为：式中A’是与材料拉伸性能有

7、关的常数。当σa≤σac，Nf→∞，从而表明了疲劳极限的存在。Nf=A'(σa-σac)-2(8-2)光滑试件的疲劳极限σ-1切口试件的疲劳极限σ-1n疲劳强度缩减系数KfKf=σ-1/σ-1n疲劳切口敏感度qq=(Kf-1)/(Kt-1)(8-8)q=0，Kf=1，疲劳极限不因切口存在而降低，即对切口不敏感。q=1，Kf=Kt，即表示对切口敏感。图8-7应力集中对高强度铝合金LC9疲劳寿命的影响实验表明，q之值随材料强度的升高而增大，这说明高强度材料的疲劳切口敏感度较高。8.4疲劳切口敏感度疲劳载荷谱：按某种规律随时间而变化的载荷曲线。图8-

8、9疲劳载荷谱示意图8.5累积疲劳损伤变幅载荷图8-9示意地表示零件所受的变幅应力。图8-10疲劳寿命曲线与累积损伤计算示意图如何根据等幅载荷下测定的S