4.疲劳与疲劳断裂 p31.pptVIP

* 疲 劳 与 疲 劳 断 裂 金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。 疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。 绪言 国际民航组织 (ICAO)发表的 “涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏) 疲劳断裂引起的空难达每年100次以上 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。 因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。 2 1.1 疲劳断裂失效的基本形式 机械零件疲劳断裂失效形式很多。 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、 接触疲劳、振动疲劳等； 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低 周疲劳（Nf＜104）； 按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的疲 劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引 起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条 件下的复合。 1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 1、正断疲劳失效 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生。 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。 1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 2、切断疲劳失效 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。 切断疲劳的特点是：初裂纹的所在平面与应力轴约成45o角，并沿其滑移面扩展。 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。 低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。 1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 1、疲劳断裂的突发性 疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。 2、疲劳断裂应力很低 循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应力的20～40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为： 1 疲劳断裂的基本形式和特征 ～ ～ 或 1.2 疲劳断裂失效的一般特征 2 3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程 疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成的。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/ Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。 4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。 1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性 金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环