《金属的疲劳》ppt课件.ppt
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1、1,第五章 金属的疲劳 1、实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。 2、失效形式:主要为疲劳断裂,占80以上。 3、表现为突然断裂,危害极大。无论材料为韧材还是脆材均表现为突然断裂。 4、本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素,以便为疲劳强度设计、选用材料、改进工艺、提高寿命,估计寿命提供基础知识。,2,5-1 金属疲劳现象及特点 一、变动载荷和循环应力 变动载荷是引起疲劳破坏的外力,所以有必要在研究疲劳时首先研究变动载荷的特点和表示方法。 1、定义:变动载荷是指载荷大小,甚至方向均随时间变化的载荷。见图5-1所示,3,2、分类: 循环应力
2、:大小或大小和方向随时间变化 按一定规律呈周期性变化。如图所示 交变应力:载荷大小、方向均随时间作 周期性变化。 重复载荷:载荷大小呈周期性变化,但 方向不变化。 随机变动应力:载荷大小、方向呈无规则随机变化。见图5-1所示,分,4,3、循环应力表示的表示方法: 最大应力:max 最小应力:min 平均应力: m 应力半幅:a 应力循环对称系数(应力比):,5,4、常见的几种循环应力有: 对称循环应力(r=-1):如图所示 大多数旋转轴类零件的循环应力属于此种情况。 脉动应力(r0;r):如图所示 如齿轮根部、滚动轴承的循环应力属于此种情况。 波动应力(0r1):如图所示 如发动机缸盖螺栓的循
3、环应力属于此种情况。 不对称交变应力r0:如图所示 如发动机连杆的循环应力属于此种情况。 静载 r = +1。,6,二、疲劳现象及特点 1、分类 金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下,由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。 可以按不同方法进行分类: 按照应力状态不同可分为:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。 按环境和接触情况不同可分为:大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳。,7,按循环周期、断裂寿命或应力高低不同可分为: 高周疲劳:循环周次(Nf)105,因断裂应力低( s ),所以又称低应力疲劳。(经常采用此方法) 低周疲劳:循环周次102105,由于断裂应力水平高,s,
4、往往伴有塑性变形,故称为高应力疲劳(或应变疲劳)。 按破坏原因可分为:机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。,8,2、特点 与静载荷断裂或一次冲击加载断裂相比: 疲劳断裂是低应力循环延时断裂,即具有寿命的断裂。 断裂应力水平往往低于材料抗拉强度,甚至低于屈服强度。 断裂寿命随应力不同而变化,应力高寿命短,应力低寿命长。 当应力低于某一临界值时,寿命可达无限长。,9,疲劳断裂是突然断裂,即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆。 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低,所以不论是韧性材料还是脆性材料,在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆。 它是在长期累积损伤过程中,经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发
5、生的。 因此,疲劳是一种潜在的突发性断裂。,10,对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感。 由于疲劳破坏是从局部开始的,所以它对缺陷具有高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用,组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)降低材料的局部强度,三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。,11,三、疲劳宏观断口特征 疲劳断裂和其它断裂一样,其断口上保留了整个断裂过程的所有痕迹,记载着很多断裂信息,具有明显的特征;这些特征还受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素影响。因此,疲劳断口分析是研究疲劳过程和失效原因的重要方法之一。 典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域:疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。
6、如图所示,12,1、疲劳源: 是疲劳裂纹萌生的策源地。 特征:一般在表面;光亮;一个或几个。 形成原因 经常在机件表面缺陷处:缺口、裂纹、刀痕、台肩、键槽等;脱碳、夹杂物、软点。 光亮:形成裂纹后的断面,在应力循环过程中不断摩擦挤压的结果(光亮、平滑)。 一个或多个:与应力状态有关。例单向弯曲有一个;双向弯曲有二个。如图所示,13,2、疲劳裂纹扩展区: 特征: 有贝纹线(海滩花样),如图所示 贝纹线是以疲劳源为圆心的一簇同心圆弧;间距不同,近源者密,远源者疏。 贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关,过载大、韧性差的线粗而不明显。 垂线为裂纹扩展方向。,14,形成原因:载荷变化引起的。如:开启
7、和停歇、改变频率、偶然过载等。(实验室的断口因载荷平稳而难以看到)。 影响: 拉压变动载荷:无应力集中时,裂纹等速扩展,平行的圆弧;有应力集中时,贝纹线沿表面扩展快。 弯曲循环载荷:因表面应力高,贝纹线与缺口机件类似。 当材料脆性增加时,贝纹线不明显,甚至消失。,15,3、瞬时断裂区: 特征:同静载断口。脆材为结晶状,韧材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇。 形成原因:随裂纹扩展,当aac时,K= KC,裂纹将失稳扩展,形成瞬断区。图 影响: 一般在疲劳源对侧。 旋转弯曲时,瞬断区的位置沿逆旋转方向偏转一定角度。,16,应力大,瞬断区便大。 材质韧性差,为结晶状断口;韧性好则在中间平面应变区为放射
8、状或人字纹,边沿为剪切唇。 扭转循环载荷:均看不见贝纹线。如图所示 正断:与轴线呈45角,锯齿状或星形状。 切断:轴向 综上所述,对于韧性材料,一般三个区均可较明显;脆性材料,整个断口齐平光亮,三个区用肉眼难以观察到。 各种类型的宏观疲劳断口形态,如图所示。,17,5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳抗力指标主要有:疲劳极限、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度。 一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限 (一)疲劳曲线和疲劳极限 金属承受的最大交变应力与断裂时应力交变次数(循环次数,即疲劳寿命)有直接关系。为此用maxlogN之间的关系曲线,称为疲劳曲线。是疲劳应力与疲劳寿命之间的关系曲线,即S
9、-N曲线。又称维勒曲线。,18,分两类:如图所示 曲线上有明显的水平部分。试样可以经受无限次应力循环也不发生疲劳断裂的最大应力称为疲劳极限。记为-1。试验时常用循环周次为107也不断裂的应力。碳钢、合金钢、球铁等属于此类。 这类材料如果应力循环107周次不断裂,则可认定承受无限次应力循环也不会断裂,所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。,19,没有水平部分。其S-N曲线没有水平部分,只是随应力降低,循环周次不断增大,此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限,或称有限寿命疲劳极限。铝合金、不锈钢、高强度钢等属于此类。,20,(二)疲劳曲线及疲劳极限的测定
10、1、方法及特点:常用旋转弯曲疲劳试验。试验机(图)结构简单、操作方便,应用广泛。 2、试验方法:用成组试验法和升降法测定。即: 倾斜线部分用成组试验法(每应力水平有56个试样)。 (略) 水平部分用升降法(不少于13个试样),如图所示。再用概率统计方法处理数据。(取可信度)。,21,(三)不同应力状态下的疲劳极限 同一材料,不同应力状态下的疲劳极限不同,但它们之间存在一定联系。 实验确定:对称弯曲疲劳极限与对称拉压、扭转疲劳极限之间存在一定关系。 1、对称疲劳极限 循环载荷,一般取周期N=107。 -1,-1,-1p(对称拉压),22,2、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果,弯曲与拉
11、压、扭转疲劳极限之间的关系: 钢:-1p=0.85-1, 铸铁:-1p=0.65-1 ;-1=0.8-1 铜及轻合金:-1=0.55-1; 经验公式仅供参考,进行估算。若需要弯曲与拉压、扭转疲劳极限的具体数据时,必须做相关试验。 一般情况下:-1-1 -1p, 分析原因 ?,23,(四)疲劳极限与静强度之间的关系 试验表明,金属材料的抗拉强度越大,其疲劳极限也越大。 对于中、低强度钢,疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。如图所示 Rm较低时,可近似写成-1= 0.5Rm 。 Rm较高时,这种近线性关系就会发生偏离,这是由于强度较高时,材料的塑性和断裂韧性下降,裂纹易于形成和扩展所致。,24,疲
12、劳极限与抗拉强度间有以下几种经验公式: 钢:-1p=0.23( Rel + Rm ) -1=0.27( Rel + Rm ) 铸铁:-1p=0.4 Rm -1=0.45Rm 铝合金:-1p=Rm/6 +7.5 (MPa) -1 =Rm/6 -7.5 (MPa) 青铜:-1=0.21Rm,25,二、疲劳图和不对称循环疲劳极限 很多机件是在不对称循环载荷下工作的(如齿轮,滚珠轴承,内燃机连杆,汽缸盖螺栓 ),因此还需要测定材料的不对称循环疲劳极限,以满足这类机件的设计和选材的需要。 通常用工程作图法,由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。 根据不同的作图方法有两种疲劳图:,26,1、a-m疲劳图
13、在不同应力比r条件下将max表示的疲劳极限r分解为a和m,并在该坐标系中作ABC曲线,则得到a-m疲劳图(见图)。 OB: r与r的几何关系: 所以只要知道应力比r,代入上式就可求出,在图上作角度的直线,与AC交于点B,即可求出相应r的疲劳极限。已知 r=a+m。,27,在保证一定寿命的前提下,当m越大,允许的应力半幅a就要减少;反之,当m变小时, a就可以增大些。为获得恒定的疲劳寿命,a和m可以有不同的配合。 ABC曲线也可用数学解析式表示,常用的数学公式有: Goodman 关系(脆性材料) : Gerber关系(塑性材料) : Soderberg 关系(工程合金) :,28,根据经验,可
14、对表示平均应力对疲劳寿命影响的这几个关系式作如下评论: (1)对大多数工程合金,Soderberg关系对疲劳寿命的估计比较保守; (2)对脆性金属,包括高强度钢,其抗拉强度接近真实断裂应力,用 Goodman关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好; (3)对塑性材料,用Gerber关系较好。,29,2、max(min)-m疲劳图 将不同应力比r下的疲劳极限,分别以max(min)和m表示于坐标系中,就形成疲劳图(见图)。 AHB就是在不同r下的疲劳极限max。 疲劳极限随平均应力或应力比的增加而增加,但应力幅度a减小。 对于塑性材料,应该用屈服强度0.2进行修正。如图所示,30,三、抗疲
15、劳过载能力 实际机件在服役过程中不可避免地要受到短时偶然过载荷的作用,如汽车、拖拉机的紧急刹车、突然启动等。 金属机件偶然经受短期过载,材料原来的疲劳极限可能没有变化,也可能有所降低,这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。,31,如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后,其疲劳极限和疲劳寿命减小,这就造成了过载损伤。 金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力,用过载损伤界或过载损伤区表示。 过载损伤界由实验确定:测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次,得到不同的试验点,连接各点便得到过载损伤界。如图所示,32,过载持久值:材料在高于疲劳极限的应力下运行,发生疲劳
16、断裂的应力循环周次,又称有限疲劳寿命。 过载损伤区:过载损伤界与过载持久值之间的影线区。 材料的过载损伤界(或过载持久值)越陡直,损伤区越窄,表示在相同的过载荷下能经受的应力循环周次多, 则其抵抗疲劳过载的能力越强。如图所示,33,四、疲劳缺口敏感度 机件在使用时,常常带有台肩、拐角、键槽、油孔、螺纹等。这些结构类似于缺口作用,会改变应力状态和造成应力集中。所以必须考虑缺口引起的应力集中对疲劳强度的影响。 最早引入的是疲劳缺口敏感度:,34,1、表示:金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性,常用疲劳缺口敏感度qf来评定:,Kt理论应力集中系数,为缺口净截面上的最大应力max与平均应力之比,可从有
17、关手册中查到,Kt1; Kf疲劳缺口系数,为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比,即 。Kf值大于1,具体的数值和缺口几何形状及材料等因素有关。,35,讨论: 根据疲劳缺口敏感度评定材料时,可能出现两种极端情况: Kt Kf,即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样,没有发生应力重新分布,这时缺口降低疲劳极限最严重,qf1,材料的疲劳缺口敏感性最大。 Kf1,即-1-1N,缺口不降低疲劳极限,说明疲劳过程中应力产生了很大的重新分布,应力集中效应完全被消除,qf0,材料的疲劳缺口敏感性最小。,36,由此可见,qf值能反映疲劳过程中,材料发生应力重新分布,降低应力集中的能力。一般材料的-1N低于-
18、1,即Kf1。通常qf值在01范围内变化, qf=0,表示对缺口完全不敏感;qf=1则表示对缺口十分敏感。 实际金属材料的qf值一般为: 结构钢 :0.60.8; 粗晶粒钢: 0.10.2; 球铁: 0.110.25;灰铸铁: 00.05。,37,2、影响 在高周疲劳时,大多数金属都对缺口十分敏感;在低周疲劳时,它们对缺口不太敏感,这是因为缺口根部一部分地区已处于塑性区内,发生应力松弛,使应力集中降低所致。 缺口形状的影响:缺口根部曲率半径越小,缺口越尖锐,qf值越低。因此,测定qf时,缺口曲率半径应选用比较大的数值。 强度、硬度升高,qf增大,即越敏感。,38,5-3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳
19、门槛值 疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。 其中裂纹亚稳扩展是决定机件整个疲劳寿命的重要组成部分。 研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素,对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。,39,由于实验方法的限制,致使S-N曲线以及用它来作为疲劳抗力的指标,具有某些局限性: (1)没有把疲劳裂纹的发生与扩展区别开来; (2)没能揭示出疲劳裂纹扩展的各个阶段; (3)没有考虑原材料中有一定长度的初始裂纹,而不同长度的初始裂纹将对疲劳寿命有很大影响; (4)由于没有引入断裂力学的计算方法,致使对零件的疲劳寿命难以作定量的预测。,40,一、疲劳裂纹扩展曲线 在高频疲劳试
20、验机(图)上测定疲劳裂纹扩展曲线。 1、aN曲线 疲劳裂纹曲线测定过程:如图所示 2、da/dN疲劳裂纹扩展速率,41,二、疲劳裂纹扩展速率 1、引入断裂韧度的概念 材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关,而且与当时的断裂尺寸有关,则将应力范围与a复合为应力强度因子范围K 。,如果认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程,则K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量,从而建立由K起控制作用的 曲线,也就是疲劳裂纹扩展速率曲线。,42,2、疲劳裂纹扩展速率曲线(如图所示) 区(初始段) KKth:da/dN,裂纹不扩展。 KKth:K,da/dN,裂纹扩展但不快。 区(主要段
21、)K,da/dN,裂纹亚稳扩展,是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要阶段。 区(最后段)K,da/dN,裂纹失稳扩展。,43,3、疲劳裂纹扩展门槛值 定Kth为门槛值,单位MNm-3/2或MPam1/2。表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能,也是材料的力学性能指标。 KKth, 裂纹不扩展。 其值越大,阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大,材料越好。 Kth与疲劳极限-1相似,都是表示无限寿命的疲劳性能,也都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素的影响。,44,-1是光滑试样的无限寿命疲劳强度,用于传统的疲劳强度设计和校核,Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能,适于裂纹件的设计和校核。 根据的定义可建立裂纹件不
22、疲劳断裂的校核公式: 测定Kth时,很难做到da/dN=0。规定:平面应变条件下,da/dN=10-610-7mm/周次对应的K来代替Kth,称为工程疲劳门槛值。,45,研究疲劳裂纹门槛值在理论上和实际工程应用上都是有意义的。十分明显,一般的机械零件和工程构件是不会以 来作为设计指标的。因为 数值很低,如以 来作为设计标准,这无疑是要求工作应力很低或者容许的裂纹尺寸很小。 照此设计的机件很笨重,仅适于地面结构。,46,4、Paris公式 疲劳裂纹扩展速率曲线区, da/dN 与K之间关系的经验公式为:,式中 c、n 为材料试验常数,与材料、应力比、环境等因素有关,但显微组织对n的影响不明显。
23、Paris公式适于高周疲劳的场合。,47,5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素 (1)应力比r,曲线向左上方移动。如图所示。残余压应力会减小r,使da/dN降低和Kth升高,对疲劳寿命有利。 喷丸、滚压 (2)过载峰 适当过载反而有益。如图所示 (3)显微组织 对I、III区的da/dN影响比较明显。 晶粒粗大,Kth值越高;韧性相可使Kth。,48,亚共析钢中铁素体量越多,其值越高。 淬火组织中,存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时,可以提高Kth,降低da/dN。 喷丸强化,可提高Kth 。 钢的高温回火组织韧性好,Kth较高;低温回火相反;中温回火居中。,49,三、疲劳裂纹扩展寿命的估算
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