第五章-金属的疲劳new.pptVIP

问题的提出： 1）许多工程结构在服役时承受变动载荷 （如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等），但应力幅度并不大 2）在机械零件断裂失效中有80％以上属于疲劳破坏 因此：研究材料的疲劳性能有重要意义 一、 疲劳 断口宏观特征 疲劳断口可分为：疲劳源；疲劳裂纹扩展区；瞬断区 几种材料的S-N曲线 疲劳试验及示意图 缺口存在也会使材料的疲劳极限降低，有缺口疲劳极限记为σ-1n , 即σ-1σ-1n 材料对缺口敏感程度也不一样。脆性材料对缺口很敏感。实验表明， q 之值随材料强度的升高而增大，这说明高强度材料的疲劳切口敏感度较高。 疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。 除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。 这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。 在持久滑移带中出现疲劳裂纹。 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。 在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态((a))。 当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移((b))。 拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化((c))，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。 卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变((d))。 当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态((e))。 I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至da／dN→0。与此相对应△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。当△K≤△Kth 时，da／dN＝0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：da／dN＝1-3×10-10 m／cycle时的△K值。I区接近于△Kth ，故又将I区称为近门槛区。 对a-N曲线求导，即得裂纹扩展速率da／dN，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为 m／cycle。 5.9 疲劳裂纹扩展速率及门槛值 5.9.1 疲劳裂纹扩展速率的测定 在固定的载荷△P和应力比R下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a，作出a-N关系曲线。 图 裂纹长度与加载循环数关系曲线 再将相应的裂纹长度，代入应力场强度因子表达式计算出△K。最后绘制出da／dN-△K关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。 图 典型的疲劳裂纹扩展速率曲线 疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区： II区为中部区或稳态扩展区，对应于da／dN＝10-8-10-6 m／cycle。在II区；裂纹扩展速率在log（da/dN） - log△K 双对数坐标上呈一直线。 III区为裂纹快速扩展区，da／dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K／(1-R)=KIC 时，试件或零件断裂。 为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命 最著名――Paris裂纹扩展速率公式 提高ΔKth之值，使裂纹扩展速率大大降低。 5.9.3 降低疲劳裂纹扩展速率的途径 5.9.2 疲劳裂纹扩展速率表达式 da／dN＝C△Km 式中 C，m为实验测定的常数。Paris公式仅适用于II区。 (经验公式) 第五章 金属的疲劳 图 带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口（40钢） 左：断口照片 右：示意图 5.1 概述 疲劳源 疲劳裂纹萌生的位置，多出现在机件表面（缺口、裂纹、刀痕、蚀坑），也可出现在机件内部（冶金缺陷） 特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及过载程度有关） 疲劳裂纹扩展区 是疲劳裂纹亚临界扩展的区域特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指