材料的疲劳强度解读课件.ppt
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1、机械结构强度,西南交通大学电子讲义,第,2,章,材料的疲劳强度,机械结构强度,第,2,章,材料的疲劳强度,2.1,基本概念,?,疲劳,?,材料在循环应力或循环应变的作用下,由于某点或某些,点产生了局部的永久结构变化,从而在一定循环次数后,形成裂纹或发生断裂的过程。,?,交变载荷,?,指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变,化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。,?,疲劳寿命,?,零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数,,用,N,表示。,?,疲劳破坏的特征,?,应力水平低。,交变应力远小于材,料的强度极限或屈服极限。,?,脆性断裂。,不论是脆性材料还是,塑性材料,疲劳断裂在宏观上
2、都表,现为没有明显塑性变形的突然断裂。,?,局部性。,局部的疲劳破坏一般不,牵扯到整个结构。可以采用局部设,计或局部工艺措施增加疲劳寿命。,?,疲劳过程是一个损伤累积的,过程。,(裂纹形成、扩展、断裂),?,疲劳破坏断口有自己明显的,特征。,s,b,?,?,?,或者,?,max,更具突然性,更危险,脆性断裂区,疲劳区,疲劳源,疲劳纹,寿命可计算,N=N,0,+N,p,机械结构强度,第,2,章,材料的疲劳强度,2.2,金属疲劳破坏机制,金属疲劳破坏通常可分为三个阶段:,1.,疲劳裂纹萌生。(由局部塑性应变集中引起),?,裂纹萌生方式有三种,:,滑移带开裂,晶界和孪晶界开裂,夹杂物或第二相与基体的
3、界面开裂,?,裂纹萌生一般发生在金属表面的原因,2.,疲劳裂纹扩展,3.,失稳断裂,裂纹萌生方式之一,:,滑移带开裂,?,是最常见的疲劳裂纹萌生方式,也是三种萌生方式中,最基本的一种,.,?,对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑,移开裂,.,?,滑移开裂的过程,:,循环载荷,-,薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变,-,晶粒,产生滑移,(,不可恢复,)-,金属表面产生滑移线,-,滑移,线随循环次数增加汇集成表面滑移带,-,发展成驻留,滑移带,-,形成裂纹,裂纹萌生方式之二,:,晶界和孪晶界开裂,?,对于密排六方晶系,因滑移较少,当滑移困难时,孪晶,变形较为常见,.,例如,:,铋,锆,锑,铜,锌
4、,金,铁等金属,.,?,常温下,裂纹多为穿晶,.,高温下,一般为晶间、晶界表,面相接处出现裂纹,.,?,晶界结合力比晶粒内部弱,在低于晶内滑移应力下,在晶界上萌生裂纹,.,裂纹萌生方式之三,:,夹杂物或第二相与基体的界面开裂,?,在高强度合金中,粗大的夹杂物和其他第二相质点的,存在,对裂纹萌生起重要作用,.,?,合金材料的屈服强度一般很高,只有在很高的应力幅,下,才能产生滑移带,.,但是由于在夹杂物或第二项质,点处产生了很高的应力集中,从而在较低的名义应力,下也能出现局部的塑性变形,这样便导致在夹杂物和,基体界面上萌生裂纹,或由于夹杂物成脆性第,2,质点,的断裂导致裂纹萌生,.,疲劳裂纹经常在
5、金属表面发生,?,?,在实际零件中,表面应力往往比内部高,?,内部晶粒的四周,完全为其他晶粒所包围,而表面晶粒所受的,约束少,因而比内部晶粒易于滑移,.,?,表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触,有腐蚀作用,.,?,表面上往往留有加工痕迹或划伤,使其疲劳强度降低,.,?,当零件表面经强化处理后,表面强度比内部高时,疲劳裂纹则,一般在硬化层下面,.,疲劳裂纹扩展,?,阶段,?,裂纹首先沿剪应力最大的活性面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应,力轴线成,45,度,.(,这个阶段扩展缓慢,),?,滑移带上往往萌生有多条裂纹,绝大多数很早就停止扩展,.,随着循环载,荷的继续继续,少数裂纹互相连接超过几十微
6、米长度,.,这时的裂纹很少,断口形貌研究困难,.,?,阶段,?,由于晶粒滑移困难,裂纹扩展方向由开始与外力,方向成,45,度逐渐转向与拉伸应力成,90,度,这种,拉伸型式的裂纹扩展,称为,阶段裂纹扩。,?,从,阶段向,阶段转变的裂纹长度,决定于材,料和应力幅。一般不超过十分之几毫米。,?,阶段裂纹扩展速率比,阶段快,常常有“疲,劳条带”的显微特征(叫疲劳条纹)。,疲劳破坏阶段之三,:,失稳断裂,?,失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段。,?,瞬间发生。,?,失稳断裂是损伤积累到临界值时的一种表现,裂纹扩展到临,界尺寸,裂纹尖端的应力强度因子达到临界值的结果。,?,失稳断裂的机制与静载断裂相同,只是由于
7、两者的加载速率,不同,因此其临界应力强度因子值与静载下的断裂塑性值有,差别。,机械结构强度,第,2,章,材料的疲劳强度,2.3,疲劳破坏断口分析,?,宏观分析,(,全局性初步分析,),?,用肉眼和,25,倍以下的放大镜分析断口,?,微观分析,?,光学显微镜、电子显微镜研究断口,?,金相组织、化学成分和机械性能的检查,断口的宏观分析,?,典型疲劳破坏断口按照断裂过程,分成三个区域。,?,疲劳源很小,宏观上看不到,放大,500,倍以上可以看出明显的疲劳裂,纹,可以判断宏观缺陷的性质和事,故发生的原因。,?,疲劳裂纹扩展区为细晶粒,深色、,平滑、海滩状。,?,快速断裂区为粗晶粒,凹凸不平、,白色、撕
8、裂或台阶状。,断口的微观分析,?,微观分析的目的:了解金属疲劳破坏过程的本质,从金属,微观组织研究疲劳机理。,?,疲劳裂纹的形成,(,1,)裂纹一般发生在表面。在应力小于屈服极限时,疲劳试样表面出,现滑移带,-,随着,N,增加,滑移线变粗变宽,-,当应力大于疲劳极限时,,出现“驻留滑移线”,-,形成微观裂纹。,(,2,)结构受交变载荷作用,-,试件挤出挤入,-,挤出滑移再严重,-,金属内,部产生孔洞,-,出现裂纹。,(,3,)塑性变形积累,-,出现错位(晶体中的特殊缺陷),-,出现疲劳裂纹。,(,4,)表面缺陷(气孔、夹渣、第,2,相质点),-,存在尖锐缺口,-,疲劳裂,纹产生。,?,疲劳裂纹
9、的形貌,?,第,1,阶段疲劳裂纹扩展,断口光滑,具有一定的结晶性质,无其他明,显特征。,?,第,2,阶段疲劳裂纹扩展区有,4,个特征:,(,1,)疲劳区宏观上平坦光滑,微观上仍凹凸不平。每个断口由若干凹凸,不平的小片段连接而成,小片段结合处形成台阶。,(,2,)具有疲劳条纹。包括塑性疲劳条纹(常见)和脆性疲劳条纹(较,少)。,(,3,)轮胎压痕和脊骨压痕特征。由于相匹配断口的反复挤压、相互嵌入,与脱离造成的。,(,4,)在疲劳裂纹扩展时,还可能出现二次裂纹,往往成扫帚状。,构件断口分析,?,现场调查,?,检查工作条件、运行情况、周围环境等,?,收集碎片,保护断口,?,了解破裂部分的材料、牌号、
10、加工工艺,?,断口宏观分析,?,净化、清洗断口,分析断口形貌,找到裂纹源,初步分,析破坏原因,?,断口微观分析,机械结构强度,第,2,章,材料的疲劳强度,2.4,疲劳试验试样及其制备,?,试样类型,(P1619),?,弯曲试样,?,轴向加载试样,?,扭转试样,?,试样制备(,P1921,),?,取样,/,机械加工,/,热处理,/,测量、探伤与存储,机械结构强度,西南交通大学电子讲义,2.5,材料的,S-N,曲线,循环应力,规律性变幅循环应力,随机循环应力,循环应力,恒幅循环应力,变幅循环应力,对称循环应力,脉动循环应力,非对称循环应力,规律性变幅循环应力,随机循环应力,?,?,?,?,?,?,
11、?,?,?,?,?,最小应力,最大应力,应力幅,平均应力,min,max,?,?,?,?,a,m,),1,/(,),1,(,),1,/(,),1,(,/,/,max,min,A,A,R,R,R,A,A,R,m,a,?,?,?,?,?,?,?,?,二者的关系:,载荷可变系数:,应力循环特征:,?,?,?,?,应力循环特征的表示,应力循环基本参数,典型的应力循环特征,r,=-1,对称循环应力,r,=0,脉动循环应力,r,=1,静应力,材料的,S-N,曲线,?,反映材料基本疲劳强度特性的曲线,为,S-N,曲线,,用于估算疲劳寿命和,进行疲劳设计。,?,S-N,曲线是用标准小试样在疲劳试,验机上得到的
12、。,?,定义:表示外加应力水平和标准试,样疲劳寿命之间关系的曲线称为材,料的,S-N,曲线,简称为:,S-N,曲线,.,?,这种曲线通常都是表示中值疲劳寿,命与外加应力间的关系,所以也叫,中值,S-N,曲线,又称为沃勒曲线,.,S,N,曲线,S-N,曲线的绘制,?,S-N,曲线绘制,?,标准试件,(812,件,),?,标准试验机,(,拉压,扭转,弯曲,等试验机,),?,一定的平均应力,施加不,同的应力幅,测出试件断裂时,的循环次数,N,?,以,(,或,),为纵坐标,N,为,横坐标,描点、连线,得到相当,于,(,或,R),下的,S-N,曲线,m,?,?,对任何一条,S-N,曲线,应明确以下内容,
13、:,?,材料牌号,;,种类,(,棒材,板材,);,循环比,R;,有无应力集中,Kt,值,;,试验机,加,载频率,环境,.,?,坐标系,.,横坐标为对数寿命,;,纵坐标为应力,对数坐标或笛卡儿坐标,.,?,试验点,.,分布在曲线两侧,一般用,50%,的中值寿命,S-N,曲线,.,m,?,max,?,a,?,m,?,S-N,曲线的形状,?,当,N,较大时,S-N,曲线近似为水平直线,对应的应力为持久极限,(,一般,钢材及钛合金,),图,2-18a.,?,对铝合金及有色金属,当,N,达到,10,7,时仍有下降趋势,一般规定较高的循,环次数,如,2*10,7,对应的应力为持久极限,图,2-18b.,1
14、,?,?,S-N,曲线的简化,一般简化为两条直线:,?,左支,?,在双对数坐标中一般是直线;,?,在单对数坐标中一般不为直,线。但因直线使用方便,一,般将其简化为直线。,?,右支,?,水平直线或斜直线,S-N,曲线的特殊形状,?,断开,由于裂纹尖端由平,面应力状态转变为平面应变,状态。(,c,图),?,转折,由穿晶破坏转变为,晶间破坏。(,d,图),S-N,曲线的表达式,?,左支,,N=10,4,10,6,?,幂函数公式,?,整条,S-N,曲线,C,N,m,C,N,m,lg,lg,lg,?,?,?,?,?,?,?,得:,两边取对数,其中:,m,,,c,为材料常数,为材料的疲劳极限。,为材料常数
15、;,、,、,曲线的负斜率;,为,式中,当,A,K,C,B,N,S,m,A,N,N,C,A,K,A,B,N,m,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,),1,(,),)(,(,?,?,?,?,?,S-N,曲线对应的疲劳破坏阶段,?,低周循环疲劳段(,LCF,),N10,4,?,高周疲劳循环段,(HCF),N=10,4,-10,6,?,疲劳极限段,(SF),N10,7,S-N,曲线的测定方法(左支),?,单点法,?,在一个应力水平下只测一根式样,然后将测得的点连成一条光滑的,曲线,得到,S-N,曲线。,?,精确度差,一般只用来测定疲劳极限。,?,成组法,?,应力水平取,46,级,一般在,0.
16、6,与,之间选取,?,每一级应力水平下,用,48,根试样。,?,数据处理方法(用数理统计的方法进行),?,绘制曲线的方法,?,逐点描迹法,?,直线拟合法,1,?,?,1,?,?,b,?,机械结构强度,西南交通大学电子讲义,2.6,材料的疲劳极限,机械结构强度,第,2,章,材料的疲劳强度,一,.,材料疲劳极限的定义,?,疲劳极限,?,疲劳极限是疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度。,?,S-N,曲线水平段对应的最大应力称为材料的疲劳极限。在此应力下,试样可,以承受无限次循环而永不破坏。结构钢,S-N,曲线的转折点一般在,10,7,以前,,因此只要经过,10,7,次循环而不破坏,就可认为试样可以承受无限
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