《疲勞破壞》PPT課件

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1、金屬材料失效分析河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院碩士選修課程（Failureanalysisofmetallicmaterials）編講：江靜華第6講疲勞破壞第6講疲勞斷裂第一節(jié)交變應(yīng)力與疲勞破壞現(xiàn)象第二節(jié)疲勞破壞機(jī)制第三節(jié)疲勞破壞的宏觀與微觀特征第四節(jié)疲勞斷裂力學(xué)第五節(jié)影響材料疲勞極限或疲勞強(qiáng)度的因素第六節(jié)改善材料疲勞極限或疲勞強(qiáng)度的方法小結(jié)2第一節(jié)交變應(yīng)力與疲勞破壞現(xiàn)象結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械零件失效案例中，疲勞破壞占＞50%，其破壞有別于靜載破壞，破壞時(shí)外觀沒(méi)有明顯的征兆，大多是在無(wú)預(yù)警且不可預(yù)期的情況下發(fā)生，損傷嚴(yán)

2、重?！孪阮A(yù)防是關(guān)鍵！1998年德國(guó)高鐵出軌事故（200Km，近百人亡，傷300余人）3交變應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞破壞產(chǎn)生的重要條件！工程中的許多載荷是隨時(shí)間而發(fā)生變化的，而其中有相當(dāng)一部分載荷是隨時(shí)間作周期性變化的。例如：火車的輪軸。交變應(yīng)力→構(gòu)件中點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間而作周期性變化的應(yīng)力。A.交變應(yīng)力4齒輪傳動(dòng)：齒輪嚙合點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化。5從構(gòu)件的應(yīng)力-時(shí)間曲線中可看出：在承受交變應(yīng)力的構(gòu)件中，軸中的彎曲應(yīng)力每轉(zhuǎn)一周就要從最大值σmax變到最小值σmin，然后又恢復(fù)到最大值，即：軸每轉(zhuǎn)一周，應(yīng)力

3、就完成一次循環(huán),稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。∣σmax∣=∣σmin∣為對(duì)稱循環(huán)，否則為非對(duì)稱循環(huán)。06交變應(yīng)力的幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ):7交變應(yīng)力的幾種模式：8脈動(dòng)循環(huán)：變動(dòng)于零到某一最大值之間的交變應(yīng)力循環(huán)，稱為脈動(dòng)循環(huán)。09（3）穩(wěn)定交變應(yīng)力：交變應(yīng)力的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的值，在工作過(guò)程中始終保持不變，否則稱不穩(wěn)定交變應(yīng)力。不穩(wěn)定交變應(yīng)力任意振幅、應(yīng)力（4）靜應(yīng)力也可以看成是交變應(yīng)力的一種特性:10構(gòu)件在交變應(yīng)力下，當(dāng)最大應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，就可能發(fā)生疲勞破壞。即使是塑性較好的材料斷裂前也無(wú)明顯的塑性變形。疲勞破壞過(guò)

4、程依先后次序可區(qū)分為三個(gè)主要階段，即：疲勞裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂。11B.疲勞破壞的分類屈服極限或強(qiáng)度極限等靜強(qiáng)度指標(biāo)已不能作為疲勞破壞的強(qiáng)度指標(biāo)。故在交變應(yīng)力下，材料的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)重新設(shè)定。應(yīng)力-壽命曲線實(shí)際上，試驗(yàn)不可能無(wú)限期的進(jìn)行下去，一般規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0來(lái)代替無(wú)限長(zhǎng)的持久壽命，這個(gè)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)N0稱為循環(huán)基數(shù)。與N0對(duì)應(yīng)的就是持久極限。持久極限疲勞壽命持久極限旋轉(zhuǎn)梁疲勞試驗(yàn)機(jī)12通常鋼鐵材料（除鑄鐵外）具有明顯的疲勞限特性→對(duì)應(yīng)S-N曲線圖隨著應(yīng)力降低而呈現(xiàn)水平狀態(tài)。通常非鐵材料（

5、如：Al、Cu合金）都無(wú)真正的水平疲勞限。耐久比：條件持久極限13依疲勞壽命Nf來(lái)分類：14許多應(yīng)用的工程零件無(wú)需承受數(shù)萬(wàn)次循環(huán)（即Nf＜105），如：汽車啟動(dòng)器上的彈簧零件、熱交換管及渦輪轉(zhuǎn)子和葉片等。→依此循環(huán)壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，可大量減輕零件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。低周疲勞的特點(diǎn)典型低周疲勞的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯曲線Basquin提出關(guān)系式：疲勞強(qiáng)度系數(shù)近似于抗拉強(qiáng)度b值介于-0.05—-0.12之間。15典型的應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線Coffin與Manson提出材料塑性變形與疲勞壽命之間的關(guān)系式：C值介于-0.

6、05—-0.7之間。Basquin與Coffin-Manson關(guān)系式合并，得到完整的應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系式：材料本身的特性也會(huì)使應(yīng)變-壽命曲線有所不同！16→不同性質(zhì)材料的應(yīng)變-壽命曲線當(dāng)循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀會(huì)產(chǎn)生變化，代表其材質(zhì)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)的改變。根據(jù)遲滯曲線形狀變化的不同，可分為四種：①循環(huán)硬化17應(yīng)變范圍固定，則應(yīng)力范圍越來(lái)越小。②循環(huán)軟化③混合行為18④循環(huán)穩(wěn)定←應(yīng)變范圍和塑性變形皆不明顯多種材料的單向拉伸應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線循環(huán)硬化循環(huán)軟化19第二節(jié)疲勞

7、破壞機(jī)制疲勞破壞過(guò)程依先后次序可區(qū)分為三個(gè)主要階段，即：疲勞微裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂20A.疲勞微裂縫形成表面上最大局部應(yīng)力或最小截面積處，或因材料差異導(dǎo)致的強(qiáng)度最弱的地方。如：表面刮痕、缺口等。內(nèi)部缺陷，如夾雜物、晶界、雙晶界等強(qiáng)度較低之處。21循環(huán)應(yīng)力作用幾千次后，某些晶粒中發(fā)生位錯(cuò)滑移，滑移線增多將形成永久滑移帶（PSB,含5000余條滑移線)，導(dǎo)致材料表面上出現(xiàn)擠出與擠入，此兩者均會(huì)沿著永久滑移帶平行發(fā)展，最終形成疲勞微裂縫。22銅單晶中PSB上的擠出與擠入?yún)^(qū)實(shí)際照片23B.疲勞微裂縫

8、成長(zhǎng)成長(zhǎng)速率與成長(zhǎng)方向?yàn)榫植繎?yīng)力集中的狀況及裂縫尖端的材料性質(zhì)所控制。疲勞裂縫成長(zhǎng)，依先后順序分成：◇第I階段：疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行◇第II階段：垂直應(yīng)力方向進(jìn)行24第I階段：疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行疲勞裂縫沿著高剪切應(yīng)力平面（即PSB）成長(zhǎng)，使初期疲勞裂縫加深，其成長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢，且為單一滑移。若在低應(yīng)力下，或試片方向具有優(yōu)選方向（即鄰近晶粒的滑移平面幾乎相等），則疲勞裂縫可延伸甚至跨越晶粒而都在單一平面上滑移，將有利于第I階段的成長(zhǎng)