01材料的力学性能2-材料的疲劳.ppt

2 疲劳与断裂 ? 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。 2002年5月25日，台湾华航的一架波音747客机在执行台北到香港的CI611航班途中，坠毁于澎湖外海，机上225名乘客与机组人员全部遇难。经调查证实，失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕。后来飞机进行维修时，刮痕并未刨光即补上补钉，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。 疲劳通常指材料在受到变动（载荷）应力（一般低于屈服应力）作用下的行为。在变动载荷下工作的机件，如轴、齿轮和弹簧等，其主要的破坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂是指机件在变动载荷作用下经过长时间工作发生的断裂现象。 在各类机件破坏中有80-90%是疲劳断裂，而且疲劳断裂多是在没有征兆的情况下突然发生的，所以危害性很大。金属的疲劳断裂是材料科学的重要领域之一，一直受到材料科学工作者的极大关注。 2.1 疲劳 变动载荷 机件承受的变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律变化或呈无规则随机变化的载荷，前者称为周期变动载荷，后者称为随即变动载荷。 周期变动载荷又分交变载荷和重复载荷两类。交变载荷是大小、方向均随时间作周期变化的变动载荷；重复载荷是载荷大小作周期变化，但载荷方向不变的变动载荷。 变动载荷 周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力sm和变动的应力半幅sa叠加而成，即在应力变化过程中，应力s与时间t存在如下关系： s= sm+saf(t) 最大应力smax—— 循环应力中数值最大的应力； 最小应力smin—— 循环应力中数值最小的应力； 平均应力sm —— 循环应力中的应力不变部分：sm =（smax +smin）/2 应力半幅sa —— 循环应力中的应力变动部分的幅值:sa =（smax－smin）/2 应力循环对称系数（应力比）r—— 应力循环的部对称程度: r = smin /smax 2.1 疲劳 2.1.1 疲劳断裂的特点 1、疲劳断裂是低应力脆性断裂，一般是在低于屈服应力之下发生的，断裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，危害性比较大。 2、疲劳破坏是长期的过程，在交变应力作用下，金属材料往往要经过几百次，甚至几百万次循环才能产生破坏。在疲劳断裂过程中，金属材料的内部组织在局部区域内逐渐发生变化。这种变化使材料受到损伤，并逐渐积累起来，当其达到一定程度后便发生疲劳断裂。因此疲劳断裂是一个损伤积累过程，并且损伤是从局部区域开始的。 3、当应力循环对称系数一定时，金属材料所受的最大交变应力(或交变应力半幅)愈大，则断裂前所能承受的应力循环次数愈少。当应力循环中的最大应力(或交变应力半幅)降到某一数值时，金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂 2.1 疲劳 2.1.1 疲劳断裂的特点 4、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段，但是由于承受的应力小，并且是循环应力，故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢，这就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。当疲劳裂纹尺寸达到临界值后，便迅速失稳扩展而断裂。可见，疲劳裂纹扩展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。 5、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。所受应力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周疲劳。所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂称为低周疲劳。 2.1 疲劳 2.1.2 疲劳宏观断口 疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。 高周疲劳断口从宏观来看，一般可以分为三个区，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。 2.1 疲劳 当材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点）时，因局部强度的降低，也会在材料内部产生疲劳源。 形貌特点：断面不断摩擦挤压，光亮度大，裂纹扩展速率小，并有加工硬化发生。 （1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区域（有应力集中）。 特征：光滑并分布有贝纹线（海滩花样）。 贝纹线：平行弧线，间距不同；裂纹源附近， 线条细密、裂纹扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、裂纹扩展较快。 材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 （2）疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展形成的。 贝纹线是疲劳区