力学性能第五章-金属的疲劳研讨.pptx

第五章 金属的疲劳 江苏科技大学 材料科学与工程学院 人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？ 金属的疲劳能得到恢复吗？ 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环次数后，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。 金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet）于1839年提出来的。 1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。 1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。 金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受扭转疲劳等。 据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。 1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则接二连三地撞在坍塌的桥体上。 2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件——桁梁出现了金属疲劳问题。 8 1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳 本章主要内容 9 变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。 生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力。 5.1.1 变动载荷和循环应力 5.1 金属疲劳现象及特点 10 图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化 变动应力 11 循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有： 最大循环应力σmax，最小循环应力σmin 平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 应力比:r=σmin/σmax 循环应力及其特征参量 12 图 循环应力的类型 a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力 对称交变应力 σm=0,r=-1 脉动应力 σm=σa0,r=0 σm=σa0,r=-∞ 波动应力 σmσa,0r1 不对称交变应力 -1r0 常见的循环应力 13 几种常见的承受循环应力的构件 14 图 农用挂车前轴的载荷谱 循环应力呈随机变化，如运行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。 随机变动应力 15 金属机件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。 疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。 5.1.2 疲劳现象及特点 16 可按不同方法对疲劳形式分类。 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳； 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。 疲劳形式的分类 17 按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。 类别 疲劳类型 断裂寿命 周次（Nf） 应力水平 高周疲劳 （低应力疲劳） 较长 105 较低 σσs 低周疲劳 （高应力疲劳） 较短 102～105 较高 σσs 表 高周疲劳和低周疲劳对比 高周疲劳和低周疲劳 18 该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。 疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要。 对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。 疲劳的特点 “彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气客机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明，其中两次空难的原因是飞机密封座舱