第7章-金属的疲劳.pptVIP

第7章 金属的疲劳 7.1 概述 7.2 金属疲劳的经验规律 7.3 疲劳裂纹的萌生、扩展及断裂 7.4 影响疲劳抗力的因素 7.5 接触疲劳及磨损 瞬时断裂区越大，越近中心，则表示过载程度越大，相反其面积越小，越靠近边缘，则表示过载程度越小。 （6）疲劳断裂需在循环应力和拉伸应力的同时作用且微观局部发生塑性变形的情况下方可发生，缺一不可。循环应力和微观局部的塑性变形引起裂纹的形成；而拉伸应力则促进裂纹的长大。 （7）疲劳裂纹过程一般包括三个阶段：裂纹的形成、扩展和最终失稳扩展断裂。通常裂纹的形成和扩展很难严格分开。究竟多大的裂纹可作为一个核心，完全依赖于检验仪器的灵敏度而定。从工程角度，通常以0.05mm的裂纹作为一个核心。其实没有必要进行严格区分。裂纹扩展到某一临界尺寸时，即发生失稳扩展而导致整体断裂。 （8）疲劳破坏对外界条件，对组织结构的变化很敏感。如：零件尺寸，表面状态，介质，温度，组织结构不均匀性皆有影响。 几个参数： σr-循环应力范围 σa-循环应力振幅 σmax-max循环应力 σmin-min循环应力 σm-平均循环应力 R-应力比（循环不 对称系数） 它们之间的关系： 在上图（a）所示的对称循环中： R=-1，如火车轴的弯曲，曲轴轴径的扭转等。 R=0，脉冲循环，齿轮齿根的弯曲。 R≠-1，不对称循环，滚珠承受循环压应力。 R=∞，汽缸盖螺钉。 0＜R＜1，受大拉小压循环应力。 R＜0，内燃机连杆受小拉大压循环应力。 如图（a）为循环应力-应变时第一次循环的滞后回线；（b）（c）表示多次循环时的回线环；（b）是恒定应力的，（c）是恒定应变的；它们都逐渐构成固定形状。  曲线分三个阶段： I：斜率不大，承受的循环应力只比单向拉伸强度低一些。 Ⅱ：斜率较大，呈现疲劳过程的特点，S-N关系符合Basqin方程： （疲劳强度系数）≈ （单向拉伸的断裂真应力）； b-疲劳强度指数（-0.05～-0.12）； Ⅲ： a.为水平线，相应的应力振幅称为“疲劳极限” b.不出现呈水平的疲劳极限。为了比较采用107或108次不破坏的max应力为“条件疲劳极限”或为“疲劳强度”。（R= -1时，疲劳极限用表示 ） （如：火车轴N=5×107次，汽车发动机曲轴N=12×107次，汽轮机叶片N=25×1010次等） 4．应变疲劳（低周疲劳） 在交变载荷作用下，由于塑性应变的循环作用所引起的疲劳破坏称为应变疲劳。 特点： 疲劳应力交变（接近或大于 ） 疲劳应力的交变频率一般比较低（往往小于10次/分） 断裂的循环周次较低（Nf﹤105） 即塑性应变在疲劳过程中占主要地位。 工业上许多机件，如飞机上的发动机涡轮盘和压气机盘，飞机起降架，舰艇壳体，压力容器等，经常承受塑性应变循环作用而发生低周疲劳破坏。 此外，在低碳钢和合金钢中，在较宽的温度范围内，其滑移带中也出现挤出物和挤入槽。他们的形成是由原子机械运动而形成的，与原子的热扩散过程无关。 在成分复杂的强化合金中，夹杂物和金属间化合物都能作为裂纹源。如检查0.2%和0.4%C钢的疲劳试样表面发现： 横向—裂纹出现在夹杂物的边缘； 纵向—裂纹出现在滑移带中或少数在夹杂物上。 在较软的Al-1%Si合金中，裂纹在滑移带上形成。 Al-45%Cu固溶时效强化，裂纹在点状夹杂物上形成。 也就是说：在应变应力作用下，反向应力所引起的滑移不可能正好是正向应力引起的滑移的逆过程，即不可能在同一滑移面内往复不断地滑移。因此可以认为疲劳裂纹的起始不是在同一个滑移面内往复滑移所造成的损伤。而是挤出物和挤入槽在表面造成的几何因素。 2）另一个组织变化是：原来的晶粒被碎化成亚晶粒。 已经为金相显微镜所观察。应变振幅越大，这种变化越显著。亚晶粒的直径大约为1微米~10微米。 在Al-0.5%Mg、Al-Mn、Cu和Fe上都得到这种结果。在不断扩展的裂纹前沿总有一个亚晶形成区。X-光、透射电镜已直接证明了这种现象。在疲劳寿命的0.1%以后便可观察到产生位错在亚晶界上堆积起来。在疲劳寿命的1%以后，亚晶界上的位错密度已经相当高，亚晶界也可能成为裂纹形核部位。 2 ）裂纹形成的位错消毁理论 在疲劳过程的初始阶段产生了短而细的滑移线如图（a），当其两端受阻而造成位错堆积，因而使滑移面上的位错源停止动作，滑移线因而也不能发展。当相当量近的两滑移线间产生了交叉滑移时，使滑移面上堆积的位错消散掉，则这些面上的位错源继续开动，滑移线也可继续发展成滑移带（b）。在平行的两个滑移面上（相距＜10-7cm）两列符号相反的位