材料的力學(xué)行為及性能

1、第六章材料的疲勞§6.1材料疲勞概述一、疲勞的概念在此以前討論的構(gòu)件強(qiáng)度，大都是靜應(yīng)力條件下的問(wèn) 題，然而，工程中，特別是機(jī)械工程中的許多構(gòu)件，受到 的并非是靜應(yīng)力，它們或者受到隨時(shí)間變化的載荷的作用（蒸汽輪機(jī)活塞桿，時(shí)而受壓，時(shí)而受拉 ），或載荷雖不變化而 構(gòu)件本身在轉(zhuǎn)動(dòng)（齒輪軸）；或者構(gòu)件的環(huán)境溫度在反復(fù)地 變化。這稱為變動(dòng)或交變載荷。本質(zhì)地講，這類構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變是變動(dòng)的或交變 的；如曲軸、連桿、齒輪、葉片以及橋梁等，在這種載荷 作用下，即使所受的應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度， 也會(huì)發(fā)生微裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象 稱為疲勞斷裂。疲勞：當(dāng)結(jié)構(gòu)在循環(huán)和交變應(yīng)力下

2、，裂紋可以萌生并 增長(zhǎng)到臨界尺寸而發(fā)生失穩(wěn)斷裂的過(guò)程?；颍阂蜓h(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力而使材料抵抗裂紋擴(kuò)展和 斷裂能力減弱的現(xiàn)象。二、疲勞斷裂的特點(diǎn)1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂； （斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高壽命短，應(yīng)力低壽命長(zhǎng)，當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無(wú)限長(zhǎng) ）2）疲勞斷裂是脆性斷裂；（應(yīng)力水平低，斷裂前沒(méi)有 明顯的宏觀塑性變形預(yù)兆，突發(fā)的脆性斷裂 ）3）疲勞對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞斷裂在整個(gè)失效件中占70%80%左右, 危害性極大。本章研究金屬疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過(guò)程及機(jī)理、 疲勞力學(xué)性能及其影響因素、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算及延 壽技術(shù)

3、，以便為疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和選用材料、改進(jìn)工藝提供 基礎(chǔ)知識(shí)。（疲勞又可分為機(jī)械疲勞、熱疲勞、沖擊疲勞等 ）§6.2變動(dòng)載荷與循環(huán)應(yīng)力一、變動(dòng)載荷WWWr變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力，它是指載荷大小甚至 方向均隨時(shí)間變化的載荷，它在機(jī)件內(nèi)部引起的效應(yīng)之一 就是出現(xiàn)變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可以分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力 （也稱循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。:WWW生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力， 而且試驗(yàn)時(shí)也容易模擬，所以研究較多。、循環(huán)應(yīng)力最大應(yīng)力Omax最小應(yīng)力Omin平均應(yīng)力:TVcr+cr-max- minJ m 一2應(yīng)力幅值:-a 二a -a . maxmin2應(yīng)力比：r

4、min循環(huán)應(yīng)力可以用以下幾個(gè)參量來(lái)表示:-max常見的循環(huán)應(yīng)力有以下幾種:=CJ+ CJmaxmaCTmin=a-ama循環(huán)應(yīng)力的波型有正弦波、矩形波和三角波等，其中 最常見的為正弦波。 對(duì)稱交變應(yīng)力：（m=0; R=-1; 不對(duì)稱交變應(yīng)力：0< cmv oa； -1<R<0 脈動(dòng)應(yīng)力：om= oa>0; R=0 ； 波動(dòng)應(yīng)力：om> o； 0<Rv1。§6.3疲勞壽命曲線及基本疲勞力學(xué)性能、疲勞壽命曲線采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法在不同的應(yīng)力幅下試驗(yàn)一組試件，可以得到一組點(diǎn), 描繪出疲勞壽命曲線，即S-N曲線。分為三個(gè)區(qū)： 低循環(huán)疲勞區(qū)（低周疲勞，L

5、ow Cycle Fatigue）,在 很高的應(yīng)力作用下，在很少的循環(huán)次數(shù)后，試件即發(fā)生斷裂，并有較為明顯的塑性變形；（1/4104或105Cycles） 高循環(huán)疲勞區(qū)（高周疲勞，High Cycle Fatigue），循 環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，疲勞壽命 Nf>105循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng) 力降低而延長(zhǎng)。試件在整體斷裂前，整體上無(wú)明顯的塑性 變形，宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂；（前兩者合稱有限壽命區(qū)） 無(wú)限壽命區(qū)（安全區(qū)），試件在低于某一臨界應(yīng)力幅 00,可以經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，疲勞壽命趨于無(wú) 窮，稱為材料的理論疲勞極限。二、疲勞極限在工程實(shí)踐中，將疲勞極限定義為：在給定的疲勞壽 命下，試件所能

6、承受的上限應(yīng)力幅值。也稱 疲勞強(qiáng)度對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，指定壽命通常取 Nf = 107CycleSo在應(yīng)力 比R=-1時(shí)測(cè)定的疲勞極限記為 O。（光滑試樣的疲勞極限和材料的抗拉強(qiáng)度有一定的經(jīng) 驗(yàn)關(guān)系：鋼，o<12001400MPa, 0=0.5 0,且組織成分對(duì) 其影響不大；鋁，o1=（0.30.35） 0）三、缺口對(duì)疲勞壽命曲線的影響疲勞曲線和疲勞極限因缺口存在和應(yīng)力集中（Kt）而降低。四、非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命曲線研究非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞，實(shí)際是研究平均應(yīng)力（om）或應(yīng)力比（R）對(duì)疲勞壽命、疲勞極限的影響。（拉應(yīng)力是對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展起推動(dòng)作用的；壓應(yīng)力是 對(duì)其起阻礙或者不起作用的）如圖所

7、示，在給定的應(yīng)力幅下，隨著平均應(yīng)力的升高 （或隨著應(yīng)力比R的增加，或循環(huán)曲線上移），疲勞壽命縮 短；對(duì)于給定的疲勞壽命，平均應(yīng)力升高，材料所能承受 的應(yīng)力幅降低，相應(yīng)的，疲勞極限降低。五、疲勞曲線的局限性沒(méi)有把疲勞的發(fā)生和擴(kuò)展區(qū)分開來(lái);沒(méi)能揭示疲勞裂紋擴(kuò)展的各個(gè)階段；沒(méi)有考慮原材料中具有一定長(zhǎng)度的初始裂紋， 而不 同長(zhǎng)度的初始裂紋將對(duì)疲勞壽命有很大影響； 由于沒(méi)有引入斷裂力學(xué)的計(jì)算方法，難以對(duì)疲勞壽 命難以做定量的預(yù)測(cè)。因此必須引入斷裂力學(xué)的一些概念，來(lái)對(duì)材料的疲勞 行為進(jìn)行進(jìn)一步探討。而在此之前，必須對(duì)疲勞裂紋的萌 生及擴(kuò)展機(jī)制做一初步分析。§6.4疲勞失效過(guò)程及機(jī)制疲勞過(guò)程由疲勞

8、裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展以及失穩(wěn) 擴(kuò)展三個(gè)階段，其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋 亞穩(wěn)態(tài)（亞臨界）擴(kuò)展期Np所組成，即Nf=Ni+Np一、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)制宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長(zhǎng)大以及連接而 成的。關(guān)于疲勞裂紋萌生期，目前尚無(wú)統(tǒng)一的裂紋尺度標(biāo) 準(zhǔn)，通常將0.050.1mm的裂紋定義為疲勞裂紋核，并由 此定義疲勞裂紋萌生期。研究表明，疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和 顯微開裂引起的。主要方式有表面滑移帶開裂；第二相、 夾雜物斷裂或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂等。1. 表面滑移帶開裂在材料的表面或者內(nèi)部，由于冶煉或加工過(guò)程中，多 多少少地總會(huì)出現(xiàn)缺陷。雖然應(yīng)力并不咼，但

9、在缺陷處卻 會(huì)形成應(yīng)力集中。當(dāng)（Jhax> $時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，即由 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)滑移。2. 相界面開裂產(chǎn)生裂紋（略）3. 晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向 性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用， 在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力不斷循環(huán) 下，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，貝U應(yīng)力峰值越來(lái)越 高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。（另：晶界有阻礙微裂紋長(zhǎng)大和連接的作用）、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)制用卜副 底酥里杵婢墳號(hào)底過(guò)程示邊陽(yáng)國(guó)乩弭鋁合舍光常試件中勞霰城擴(kuò)JS的WtBf»L，ul疲勞條紋，疲勞 輝紋是微觀可 見，一條疲勞

10、條 紋代表一次應(yīng) 力循環(huán)；而宏觀 可見的貝紋線 為載荷過(guò)載形 成的，載荷穩(wěn)定 的話，無(wú)貝紋 線；宏觀條件下 也看不到疲勞 輝紋。兩者注意 區(qū)別光滑試件中，疲勞裂紋擴(kuò)展（按擴(kuò)展方向）可分為兩 個(gè)階段：I階段：裂紋沿與拉應(yīng)力呈45°的方向即最大切應(yīng) 力的方向擴(kuò)展；（距離小，23個(gè)晶粒，切口試件 無(wú)）II階段：擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力方向垂直，形成疲勞條 帶（疲勞輝紋）。Laird和Smith在研究鋁、鎳提出了塑性材料的疲勞裂 紋擴(kuò)展過(guò)程。（如上圖）§6.5疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞過(guò)程的三階段中，其中疲勞亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段占有 很大比例，是決定機(jī)件整個(gè)疲勞壽命的重要組成部分；而 且對(duì)于含有原始裂

11、紋或缺陷的實(shí)際機(jī)件而言，裂紋亞穩(wěn)態(tài) 擴(kuò)展更為重要。因此，有必要研究疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律、 擴(kuò)展速率及其影響因素。一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上，試樣采用 CT、CCT、TPB,載 荷幅值A(chǔ)P和應(yīng)力比R固定。測(cè)取裂紋尺寸a,做a-N曲線， 對(duì)其求導(dǎo)，獲得da/dN；根據(jù)a，AP，求出AK，匯出da/dN -AK曲線。（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）三階段（三區(qū)）：I區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展初始階段，da/dN值很小，為 10-11至10-9m/周次。從AKth開始，隨著AK的增加，da/dN快速提高，所占擴(kuò)展壽命不長(zhǎng)。（心：門 檻值。理論 AKw來(lái)th, da/dN=0 ;實(shí)際 da/dN=13 x 10-1

12、6;m/周次時(shí)的AK; I區(qū)：近門檻區(qū)）II區(qū)：中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，da/dN=10-810-6m/周 次。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上為一直線；dadNIII區(qū)：裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，da/dN>10-610-5m/周次， 隨AK的增大迅速升高，當(dāng)Kmax=Kc時(shí)，斷裂。試驗(yàn)表明：I區(qū)和III區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率受到材料的顯 微組織、應(yīng)力比和環(huán)境等內(nèi)外因素的影響；而在II區(qū)，上述因素的影響相對(duì)較小。、疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式Paris建議使用下式來(lái)描述第二階段：式中，C、m為材料常數(shù)。對(duì)于大多數(shù)金屬材料 m= 2 7。（注意：對(duì)m值的大小，不同的研究者所得到的數(shù)值 存在差異，這是疲勞斷裂研究的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。目前，傾 向用數(shù)值統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理數(shù)據(jù)和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。）研究表明，一個(gè)好的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式包含下列 五個(gè)主要因素：AK，R，AKth，拉伸性能和應(yīng)力-應(yīng)變歷程。三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算零件的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，可按下式估算：一般采用無(wú)損探傷的方法確定機(jī)件初始裂紋尺寸a。、形狀位置和取向，從而確定 AK的表達(dá)式AK二、 a， 再根據(jù)材料的斷裂韌度Kic及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂紋 尺寸ac,然后根據(jù)試驗(yàn)確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率