《金屬疲勞》PPT課件.ppt

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1、第五章金屬疲勞ChapterFiveFatigueofMetals5.1概述(BriefIntroduction)㈠定義(Definition)疲勞破壞——指材料在低于抗拉強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下,經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂,即在斷裂前沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形。疲勞破壞過(guò)程雖然有突然性，但仍然是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程。它是由疲勞裂紋核心的萌生、擴(kuò)展及斷裂三個(gè)階段組成的，因而相應(yīng)的研究領(lǐng)域包括：疲勞微觀機(jī)理（包括疲勞斷裂的成因、裂紋核心的萌生、擴(kuò)展、斷口形貌及組織的變化）;疲勞宏觀理論（包括疲勞累計(jì)損失理論、裂紋擴(kuò)展理論、疲勞

2、強(qiáng)度理論及疲勞設(shè)計(jì)理論）;疲勞實(shí)驗(yàn)（包括機(jī)器的設(shè)計(jì)、載荷的測(cè)定、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析以及疲勞壽命的計(jì)算）。一、交變載荷及循環(huán)應(yīng)力(Alternativeloadsandcirculativestress)5.2金屬疲勞的基本現(xiàn)象與規(guī)律(Basicphenomenonandregulationofmetalfatigue)定義：交變載荷：指載荷大小、方向均隨時(shí)間發(fā)生變化的載荷。交變載荷又可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（稱為循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種（見(jiàn)圖5-1）。規(guī)則變化應(yīng)力（即循環(huán)應(yīng)力）有：a)正方形波b)矩形波c)三角形波

3、循環(huán)應(yīng)力可用幾個(gè)特征參量來(lái)表示，即：最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin及平均應(yīng)力σm、應(yīng)力振幅σa。σa＝（σmax－σmin）?2應(yīng)力比γ:γ＝σmin/σmax幾種常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力見(jiàn)圖5－2。對(duì)于圖5-3的復(fù)雜載荷，可以經(jīng)過(guò)傅立葉變化成幾種循環(huán)應(yīng)力，再進(jìn)行相關(guān)分析，比較復(fù)雜，所以在此不涉及。二、疲勞種類及特點(diǎn)(Typesandcharacteristicoffatigue)1、分類(Classification)1）按應(yīng)力狀態(tài)分有：a）彎曲疲勞b）扭轉(zhuǎn)疲勞c）拉壓疲勞d）復(fù)合疲勞2）按環(huán)境分有：a）大氣疲勞b）腐蝕疲

4、勞c）高溫疲勞d）接觸疲勞e）熱疲勞3）按斷裂壽命及應(yīng)力高低分：a）高周疲勞（低應(yīng)力疲勞）Nf>105次σ<σs；b）低周疲勞（高應(yīng)力疲勞）Nf＝102～105次σ≥σs2、特點(diǎn)(Characteristic)與靜載荷或一次沖擊載荷斷裂相比，疲勞斷裂具有下列特點(diǎn)：低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂；脆性斷裂（不管是塑性還是脆性材料）；對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感；疲勞斷裂也是裂紋萌生與擴(kuò)展的過(guò)程。三、疲勞宏觀斷口形貌(Macro-fracturemorphologyoffatigue)疲勞斷口形貌是研究疲勞過(guò)程和失效的重要方

5、法之一。典型疲勞斷口具有三個(gè)形貌不同的區(qū)域(見(jiàn)P110,圖5-3)：疲勞源（疲勞裂紋萌生的源地，一般位于斷口表面，常與缺陷引起的應(yīng)力集中相關(guān)）；疲勞區(qū)（疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所組成的斷口區(qū)域，是測(cè)定疲勞斷裂重要特征）瞬斷區(qū)（裂紋最后失穩(wěn)、快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域）。1、疲勞源該區(qū)最光亮（因該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓之故）；疲勞源位于疲勞區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點(diǎn)位置；疲勞源可以一個(gè)或多個(gè)（與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)）；對(duì)于有數(shù)個(gè)疲勞源，可根據(jù)疲勞源的光亮度，疲勞區(qū)的大小及貝紋線的密蔬程度可以確定多個(gè)源產(chǎn)生的先后次序，一般源區(qū)越亮，疲勞

6、區(qū)越大，貝紋線越密，則該源越早產(chǎn)生。具體特征：斷口宏觀特征。斷口比較光滑并分布有紋線（或海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階；貝紋線是載荷變動(dòng)引起的，如機(jī)器的開(kāi)停，而在實(shí)驗(yàn)室由于載荷變動(dòng)較小，所以貝紋較淺而細(xì)??；貝紋線是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠(yuǎn)離源處則貝紋線距越疏。2、疲勞區(qū)：該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙，與靜載的斷口相似；如脆性材料，則為結(jié)晶狀斷口；如韌性材料，則中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇；一般在疲勞源的對(duì)側(cè)；瞬斷區(qū)大小。若名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)較大，反

7、之，則瞬斷區(qū)較小。3、瞬斷區(qū)(一)疲勞曲線（Fatiguecurves）5.2疲勞曲線及疲勞抗力(Fatiguecurvesandresistance)試驗(yàn)表明：金屬疲勞曲線有兩大類（如圖5－5所示）。一類是有水平線段（即有疲勞極限）的曲線。如一般結(jié)構(gòu)鋼及球墨鑄鐵的疲勞曲線即為該類型。另一類是無(wú)水平線段（即無(wú)疲勞極限）的曲線，如有色金屬，不銹鋼，高強(qiáng)度鋼的疲勞曲線則為該類型。（二）疲勞極限及其測(cè)量（Fatiguelimitandmeasurement）1、定義：疲勞極限是指材料抵抗無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)（見(jiàn)圖

8、5-7）。條件疲勞極限：是指材料抵抗有限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。二者統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。2、種類對(duì)稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷，有對(duì)稱彎曲、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)及對(duì)稱拉壓等。其對(duì)應(yīng)的疲勞極限稱為σ－1、τ－1、σ－1p.其中σ－1是最常用的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限。三、疲勞極限和靜強(qiáng)度之間的關(guān)系(Relationshipbetweenfatigueli