第5章 材料的疲劳性能ppt课件.ppt

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1、第五章材料的疲劳性能§5-1疲劳破坏的一般规律§5-2疲劳破坏的机理§5-3疲劳抗力指标§5-4影响材料及机件疲劳强度的因素§5-5热疲劳1机械零件总是处于不断运动状态曲轴连杆2疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值，可分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种第一节疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力34一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波

2、形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。表征应力循环特征的参量有：5按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力有以下几种类型，如图5-2所示：tσ6循环应力的类型：7疲劳破坏过程：材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。二、疲劳破坏的概念和特点夹杂物纯铁8疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称

3、为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。疲劳断裂断口具有较为明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的端口上会显示出疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区特征。9疲劳破坏特点：(1)是一种潜藏的突发性破坏(2)低应力循环延时断裂(3)对缺陷敏感(4)可按不同方法分类10三、疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区-疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。11产生于表面形状或内部冶金缺陷，为疲劳裂纹萌生的策源地表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较

4、光亮可以有多个疲劳源：12疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域断口光滑存在贝纹线凸侧指向裂纹扩展方向近疲劳源区细密疲劳区：铁路货车切轴断裂图1314失稳扩展形成的区域断口比疲劳区粗糙脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，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瞬断区：15§5-2疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏机理1.疲劳裂纹的萌生产生位置：材料薄弱区或高应力区裂纹核大小：0.05mm-0.1mm开裂方式：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。疲劳裂纹的

5、三种形式1617机理：在循环载荷的作用下，试样会在表面区域形成循环滑移带。该滑移带随着循环周次的增加而在表面不断加宽。在加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟。18Cottrel和Hull的侵入挤出模型192.疲劳裂纹的扩展第Ⅰ阶段：沿着最大切应力方向向内扩展。其中多数微裂纹并不继续扩展，成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可延伸几十μm(即2-5个晶粒)长。裂纹扩展极慢，扩展的总量很小，因此该阶段的断口很难辨析，不容易观察到形貌特征，只有某些擦伤的痕迹。第Ⅱ阶段:沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇为

6、止。21第Ⅱ阶段的裂纹扩展速率da/dN随循环周次↑而↑。大部分循环周期内，约为10-5~10-2mm/次.在韧性材料断口可看到韧性断裂条带，脆性材料可见脆性条带。疲劳条带示意图疲劳条带22韧性疲劳条带形成过程高塑性材料（Al、Ni等）在变动循环应力下，裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使裂纹向前延伸。塑性钝化模型（L-S模型）特点：循环拉应力时，张开钝化循环压应力时，闭合锐化一个循环，形成一个疲劳韧带23F-R再生核模型a)拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核b)再生核裂纹与主裂纹桥接再生核模型（F-R

7、模型）24二、非金属材料疲劳破坏机理1.陶瓷材料2.高分子聚合物3.复合材料疲劳破坏机理特点：疲劳损伤形式有多种。增强纤维有减缓裂纹扩展作用。不发生瞬时破坏，常以弹性模量、共振频率下降为依据。导热性差，温度易升高，对加载频率敏感。界面易称为疲劳源，因此抗压缩能力差。疲劳性能与纤维取向有关。25在纤维增强复合材料中疲劳裂纹的扩展模式在纤维裂纹处产生剪切裂纹(b)在基体裂纹前面的界面上的拉伸开裂(c)强纤维侧的基体裂纹(d)基体裂纹前面的韧性纤维产生裂纹(e)基体裂纹前面的脆性纤维断裂26§5-3疲劳抗力指标指标

8、：疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感度、疲劳裂纹扩展速率27一、疲劳测试方法旋转弯曲疲劳试验机装置图S-N曲线图测试方法：选择几个不同的循环应力σ1、σ2、σ3…测定从加载到试样断裂所需要的循环周次N1、N2、N3…得到σ-N曲线（或S-N曲线）28S-N曲线特点：σ↑，N↓;σ↓，N↑σ<σ-1时，可经历无限次循环而不断裂。σ-1定义为疲劳强度。29定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力