材料疲勞性能

1、關于材料的疲勞性能第一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1850-1860,Whler先生用試驗方法研究了車軸的斷裂事故，提出了應力-壽命圖（S-N)和疲勞極限概念。1870-1890，Gerber研究了平均應力對壽命的影響，Goodman提出了完整的平均應力影響理論。突破了疲勞只與載荷幅值有關的理論界限。1920-Griffith用能量法研究了含裂紋體的有關材料強度理論，初步奠定了事隔20年后由Irwin發(fā)展起來的斷裂力學理論基礎。1945年由Miner提出的線性累計損傷理論問世；1960年，Manson-Coffin提出了塑性應變與疲勞壽命的關系；1961年Paris提出了疲勞裂紋

2、擴展速率的概念。1974年美國軍方采用了損傷容損設計方法；目前，材料的疲勞研究方興未艾，斷裂力學、損傷力學和材料物理學結合，已從宏觀、細觀和微觀領域對疲勞問題進行著廣泛的研究。前言第二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月材料的疲勞問題研究從近150多年開始一直受到人們的關注，原因之一就是工程中的零件或構件的破壞80%以上是由于疲勞引起。前言疲勞破壞表現(xiàn)的形式：機械疲勞外加應力/應變波動造成的。蠕變疲勞循環(huán)載荷與高溫聯(lián)合作用下的疲勞。熱機械疲勞循環(huán)受載部件的溫度變動時材料的疲勞。腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動疲勞、電致疲勞等等。第三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月前言1、變動載荷 疲勞

3、斷裂。前言2、研究疲勞的一般規(guī)律、 疲勞破壞過程及機理、 疲勞力學性能及其影響因素等。第四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第五章 材料的疲勞性能5.1 疲勞破壞的一般規(guī)律5.2 疲勞破壞的機理（簡述）5.3 疲勞抗力指標5.4 影響材料及機件疲勞強度的因素(自學)5.5 熱 疲 勞(自學)第五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1 疲勞破壞的一般規(guī)律一、疲勞破壞的變動應力二、疲勞破壞的概念和特點三、疲勞斷口的宏觀特征第六張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞破壞的變動應力1、疲勞： 變動載荷和應變長期作用 累積損傷斷裂。2、變動載荷： 載荷大小，甚至方向隨時間而

4、變化的載荷。3、變動應力： 變動載荷在單位面積上的平均值。4、變動應力分類： 規(guī)則周期變動應力(或稱循環(huán)應力)； 無規(guī)則隨機變動應力。5、循環(huán)應力： 周期性變化的應力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常見的為正弦波。第七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞破壞的變動應力6、表征應力循環(huán)特征的參量 最大循環(huán)應力max， 最小循環(huán)應力min； 平均應力 m(max+min)/2； 應力幅或應力范圍： =/2= (max-min)/2； 應力比 rmin/max。 載荷譜： 載荷-時間歷程曲線第八張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞破壞的變動應力7、循環(huán)應力類型： (1

5、)對稱循環(huán)： m0，r-1。 (2)不對稱循環(huán)： m0，-1r0，r0 或 m，0r1。 (5)隨機變動應力： 循環(huán)應力呈隨機變化。第九張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、疲勞破壞的概念和特點1、疲勞破壞的概念：(1)疲勞的破壞過程： 變動應力薄弱區(qū)域的組織 逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂 裂紋擴展突然斷裂。(2)疲勞破壞： 循環(huán)應力引起的延時斷裂， 其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。(3)疲勞壽命： 機件疲勞失效前的工作時間。(4)疲勞斷裂：經(jīng)歷了裂紋萌生和擴展過程。 斷口上顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。第十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于202

6、2年6月二、疲勞破壞的概念和特點2疲勞破壞的特點： (1)一種潛藏的突發(fā)性破壞，呈脆性斷裂。 (2)疲勞破壞屬低應力循環(huán)延時斷裂。 (3)對缺陷具有高度的選擇性。 (4)可按不同方法對疲勞形式分類。按應力狀態(tài)分， 有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞。按應力高低和斷裂壽命分， 有高周疲勞(低應力疲勞，s)和低周疲勞(高應力疲勞或應變疲勞)。第十一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、疲勞斷口的宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3個特征區(qū) 疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。2、疲勞源：(1)多出現(xiàn)在機件表面， 常和缺口、裂紋等缺陷及內(nèi)部冶金缺陷(夾雜、白點等)有關。(2)疲勞源區(qū)比

7、較光亮，該區(qū)表面硬度有所提高。(3)疲勞源可以是一個，也可以是多個。第十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、疲勞斷口的宏觀特征3、疲勞區(qū)：(1)斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)， 有時還有裂紋擴展臺階。(2)斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)， 其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱；(3)貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征， 一般認為是因載荷變動引起的。 每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線， 凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。第十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、疲勞斷口的宏觀特征4、瞬斷區(qū)：(1)KKc時，裂紋就失穩(wěn)快速擴展，導致機件瞬時斷裂 斷口粗糙，脆性斷口呈結晶狀；

8、韌性斷口，在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀， 邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。 (2)瞬斷區(qū)一般應在疲勞源對側。第十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 疲勞破壞的機理一、金屬材料疲勞破壞機理二、非金屬材料疲勞破壞機理（自學）第十六張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、金屬材料疲勞破壞機理分為三個主要階段：1、疲勞裂紋形成，2、疲勞裂紋擴展，3、當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。第十七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1、疲勞微裂紋的形成疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與

9、基體相界面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開裂。在環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應力不超過屈服強度，也會在試件表面形成滑移帶, 稱為循環(huán)滑移帶。拉伸時形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。第十八張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月循環(huán)滑移帶的持久性：疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數(shù)的增加，滑移帶增加。除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。這種滑移帶稱為持久滑移帶(Persist Slip Band)。在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。形成的微裂紋在循環(huán)加載時將繼續(xù)長大。當微裂紋頂端接近晶界時，其長大速率減小甚

10、至停止長大。這必然是因為相鄰晶粒內(nèi)滑移系的取向不同。微裂紋只有穿過晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋。因為晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接的作用，因而有利于延長疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。表面滑移帶開裂第十九張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月較大的夾雜物或第二相，會由于夾雜物與基體界面開裂而形成微裂紋。第二相在循環(huán)加載，會形成沿晶裂紋。 1、疲勞微裂紋的形成第二十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2 、疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋擴展可分為兩個階段： 第I階段，裂紋沿著最大切應力方向向內(nèi)擴展，即在切應力最大的滑移面內(nèi)擴展。 第I階段裂紋擴展的距

11、離一般都很小，約為23個晶粒。 第II階段，裂紋沿垂直拉應力方向向前擴展形成。在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶。疲勞帶是每次循環(huán)加載形成的。第二十一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 疲勞抗力指標一、疲勞試驗方法二、疲勞強度三、過載持久值四、疲勞缺口敏感度五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值疲勞應力判據(jù)疲勞斷裂判據(jù)第二十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 疲勞抗力指標按應力狀態(tài)分， 有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞。第二十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞試驗方法1、旋轉彎曲疲勞試驗：(1)四點彎曲， 對稱循環(huán) (m0，r-1)。(2

12、)測定方法： 試樣（若干）， 旋轉彎曲疲勞試驗機； 選擇最大循環(huán)應力max (0.67b0.4b) （1，2，3 n ）； 對每個試樣進行循環(huán)加載試驗 直至斷裂； 測定應力循環(huán)數(shù)N； (1,N1),(2,N2) 繪制(max)-N(lg N)曲線。第二十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞試驗方法2、疲勞曲線S-N曲線 其他不對稱循環(huán)應力也可作出相應的疲勞曲線， 它們統(tǒng)稱為S-N曲線，第二十五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、疲勞試驗方法3、金屬材料疲勞曲線類型： 一類有水平線r； (材料的疲勞強度) 疲勞應力判據(jù)： r 一類無水平線條件疲勞強度。第二十六張，PPT

13、共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、疲勞強度定義： 在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應力。1、對稱循環(huán)(r=-1)疲勞強度 彎曲(-1)、扭轉(-1)、拉壓(-1p)等。第二十七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、疲勞強度2、不對稱循環(huán)(-1r1)疲勞強度(1)脆性材料max(min)- m疲勞圖:AHB曲線就是在不同應力比r下的max值； AEC在不同應力比r下的min值； AO在不同應力比r下的m值。AHB曲線上各點max值 即表示由-1r-1p-1。第三十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、疲勞強度4、疲勞強度與靜強度間關系：材料的抗拉強度愈大,其疲勞強度也愈大

14、。第三十一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、過載持久值及過載損傷界過載分類： 長久過載(-1)有限壽命服役； 偶然過載。1、過載持久值(長久過載、有限疲勞壽命)： (1)材料在高于疲勞強度的一定應力(-1)下工作， 發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次。 (2)由疲勞曲線傾斜部分確定。 (3)材料耐久強度： 即過載應力。第三十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、過載持久值及過載損傷界2、過載損傷界（偶然過載） (1)過載損傷界: 短期過載對材料性能的影響，取決于過載應力及過載周次。 實驗證明，材料在過載應力水平下只有運轉一定周次后，疲勞強度或疲勞壽命才會降低，造成過載損傷。 把在

15、每個過載應力下運行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料的過載損傷界 (2)過載損傷區(qū)： 過載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)。 (3)材料的過載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄，則其抵抗疲勞過載能力就愈強。第三十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四、疲勞缺口敏感度qf qf=(Kf-1)/(Kt-1) Kt理論應力集中系數(shù)； Kf為疲勞缺口系數(shù)；Kf =-1/-1N； 0qf1; qf隨材料強度增高而增大。第三十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值1、疲勞裂紋擴展速率(da/dN): 疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展階段的速率。 針對疲勞過程的第階段。 (3)固定r

16、及； (4)一定的N對應一定的a，直到斷裂； （N，a） (5) N-a曲線2、裂紋長度a和循環(huán)周次N的關系曲線： (1)試樣（TPB或CCT或CT）； (2)疲勞裂紋長度測量裝置；第三十五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值3、疲勞裂紋擴展速率： da/dN4、應力強度因子幅(K)： K= Kmax- Kmin =Ymaxa - Ymina =Ya5、da/dN-K（lgda/dN-lgK） 將a-N曲線上各點的dadN 值用圖解微分法或遞增多項式計算法計算出來; 利用應力強度因子幅(K)公式將相應各點的K值求出， 在雙對數(shù)坐標系上描點連接即得 lgda/dN-lgK曲線。第三十六張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值6、lg(da/dN)-lgK曲線： I區(qū)是疲勞裂紋的初始擴展階段: da/dN = 10-810-6 ； 區(qū)是疲勞裂紋擴展的主要階段: da/dN = 10-510-2 ; Paris公式：da/dN = C(K)n=C(Ya)n 區(qū)是疲勞裂紋擴展的最后階段。7、疲勞裂紋擴展門檻值(Kth)： 代表疲勞裂紋不擴展的K臨界值。 da/dN=08、條件疲勞裂紋擴展門檻值(Kth) ： 平面應變，da/dN=10-610-7mm/周次第三十七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022