北航疲勞強(qiáng)度課件1-緒論

1、12航空科學(xué)與工程學(xué)院航空科學(xué)與工程學(xué)院 固體力學(xué)研究所固體力學(xué)研究82315945傅惠民傅惠民疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度3參考書目參考書目疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 高鎮(zhèn)同高鎮(zhèn)同 主編主編 北航印刷所北航印刷所結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度 吳富民吳富民 主著主著 西工大出版社西工大出版社疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 徐徐 灝灝 主編主編 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 4抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì) 趙少汴趙少汴 編著編著 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社疲勞設(shè)計(jì)疲勞設(shè)計(jì) 趙少汴趙少汴 王忠保王忠保 主編主編 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 5考核要求考核要求 平時(shí)成績 50% 考試成績 50%6機(jī)械、

2、結(jié)構(gòu)等機(jī)械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？受力如何？ 如何運(yùn)動(dòng)？如何運(yùn)動(dòng)？ 如何變形？破壞？如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計(jì)？如何控制設(shè)計(jì)？性態(tài)性態(tài)規(guī)則規(guī)則78910工作應(yīng)力：工作應(yīng)力： 構(gòu)件在可能受到的最大工作載荷作用下的應(yīng)力。構(gòu)件在可能受到的最大工作載荷作用下的應(yīng)力。 極限應(yīng)力：極限應(yīng)力： ys 、 b 材料可以承受的強(qiáng)度指標(biāo)。材料可以承受的強(qiáng)度指標(biāo)。 延性材料：延性材料： ys ； 脆性材料：脆性材料： b ys ys 延性材料延性材料 b b 脆性材料脆性材料強(qiáng)度判據(jù)強(qiáng)度判據(jù)： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作應(yīng)力結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作應(yīng)力 材料的極限應(yīng)力材料的極限應(yīng)力11按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，滿足按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，滿足 ，為什么還

3、發(fā)生破壞？，為什么還發(fā)生破壞？19世紀(jì)世紀(jì)30-40年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處 （應(yīng)力僅為（應(yīng)力僅為0.4 ys ）多次發(fā)生破壞；）多次發(fā)生破壞；1954年年1月月, 英國慧星英國慧星(Comet)號(hào)噴氣客機(jī)墜入地中號(hào)噴氣客機(jī)墜入地中 海（機(jī)身艙門拐角處開裂）；海（機(jī)身艙門拐角處開裂）；121967年年12月月15日，美國西弗吉尼亞的日，美國西弗吉尼亞的 Point Pleasant橋倒塌，橋倒塌， 46人死亡；人死亡；1980年年3月月27日，英國北海油田日，英國北海油田Kielland 號(hào)鉆井號(hào)鉆井 平臺(tái)傾復(fù)；平臺(tái)傾復(fù)；127人落水只救起人落水只救起 89

4、人；人；131314141515161717181920 抗震模型試驗(yàn)抗震模型試驗(yàn) （破壞部位、破壞形式、抗震能力）（破壞部位、破壞形式、抗震能力）21課程設(shè)置課程設(shè)置第一章第一章 概論概論第二章第二章 金屬材料的疲勞強(qiáng)度金屬材料的疲勞強(qiáng)度第三章第三章 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素第四章第四章 疲勞載荷譜疲勞載荷譜第五章第五章 累積損傷理論累積損傷理論第六章第六章 局部應(yīng)力應(yīng)變法局部應(yīng)力應(yīng)變法第七章第七章 概率疲勞設(shè)計(jì)概率疲勞設(shè)計(jì)第八章第八章 提高零構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的方法提高零構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的方法22第一章第一章 概概 論論1. 疲勞問題的重要性疲勞問題的重要性2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問

5、題的歷史發(fā)展3. 疲勞的分類疲勞的分類4. 金屬疲勞破壞機(jī)理金屬疲勞破壞機(jī)理5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征6. 抗疲勞設(shè)計(jì)方法抗疲勞設(shè)計(jì)方法23疲勞的定義疲勞的定義 材料在材料在循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力或或循環(huán)應(yīng)變循環(huán)應(yīng)變作用下，由于作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從，從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋裂紋或或發(fā)生斷裂發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞。的過程稱為疲勞。 241. 疲勞問題的重要性疲勞問題的重要性251. 疲勞問題的重要性疲勞問題的重要性26普及斷裂的基本知識(shí)，可減少損失普及斷裂的基本知識(shí)，可減少損失29%(

6、345億億/ /年年) )。設(shè)計(jì)、制造人員了解斷裂，主動(dòng)采取改進(jìn)措施，設(shè)計(jì)、制造人員了解斷裂，主動(dòng)采取改進(jìn)措施，如設(shè)計(jì)；材料斷裂韌性；冷、熱加工質(zhì)量等。如設(shè)計(jì)；材料斷裂韌性；冷、熱加工質(zhì)量等。利用現(xiàn)有研究成果，可再減少損失利用現(xiàn)有研究成果，可再減少損失24%(285億億/ /年年) )。包括提高對(duì)缺陷影響、材料韌性、工作應(yīng)力的預(yù)測(cè)包括提高對(duì)缺陷影響、材料韌性、工作應(yīng)力的預(yù)測(cè)能力；改進(jìn)檢查、使用、維護(hù)；建立力學(xué)性能數(shù)據(jù)能力；改進(jìn)檢查、使用、維護(hù)；建立力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫；改善設(shè)計(jì)方法更新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。庫；改善設(shè)計(jì)方法更新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。剩余的剩余的47%，有待于進(jìn)一步基礎(chǔ)研究的突破。有待于進(jìn)一步基礎(chǔ)研究的突

7、破。如裂紋起始、擴(kuò)展的進(jìn)一步基礎(chǔ)研究；高強(qiáng)度、如裂紋起始、擴(kuò)展的進(jìn)一步基礎(chǔ)研究；高強(qiáng)度、高韌性、無缺陷材料的研究等。高韌性、無缺陷材料的研究等。2728可見疲勞開裂仍然是值得嚴(yán)密關(guān)注的。可見疲勞開裂仍然是值得嚴(yán)密關(guān)注的。29年代190020001800302. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展 人們對(duì)疲勞強(qiáng)度問題的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了一個(gè)人們對(duì)疲勞強(qiáng)度問題的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程。漫長的過程。 十九世紀(jì)十九世紀(jì)是產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著蒸汽機(jī)車和是產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著蒸汽機(jī)車和機(jī)動(dòng)運(yùn)載工具的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。機(jī)動(dòng)運(yùn)載工具的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。 破壞往往發(fā)生在零構(gòu)件的截面突變處，破

8、壞破壞往往發(fā)生在零構(gòu)件的截面突變處，破壞的名義應(yīng)力不高，低于材料的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。的名義應(yīng)力不高，低于材料的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。破壞事故的原因一時(shí)讓工程師們摸不著頭腦。破壞事故的原因一時(shí)讓工程師們摸不著頭腦。31 直至直至1829年德國人年德國人Albert W.A.(艾伯特艾伯特)用礦山用礦山卷揚(yáng)機(jī)焊接鏈條進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，破壞事故才被闡卷揚(yáng)機(jī)焊接鏈條進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，破壞事故才被闡明。明。 1839年，法國工程師年，法國工程師Poncelet J.V(彭賽列彭賽列)首首先使用先使用“疲勞疲勞”這一術(shù)語來描述材料在循環(huán)載荷這一術(shù)語來描述材料在循環(huán)載荷作用下承載能力逐漸耗盡以致最后突然斷裂的現(xiàn)作用下承

9、載能力逐漸耗盡以致最后突然斷裂的現(xiàn)象。象。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展32 為了防止機(jī)車車輛發(fā)生疲勞斷裂，為了求為了防止機(jī)車車輛發(fā)生疲勞斷裂，為了求出車輛在運(yùn)行中能承受的最大作用力，兼機(jī)車出車輛在運(yùn)行中能承受的最大作用力，兼機(jī)車車輛廠廠長的德國工程師沃勒（車輛廠廠長的德國工程師沃勒（Wohler）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)了疲勞試驗(yàn)設(shè)備，做了一系列疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了疲勞試驗(yàn)設(shè)備，做了一系列疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生斷裂的循環(huán)次數(shù)隨應(yīng)力幅值的增大而減小，產(chǎn)生斷裂的循環(huán)次數(shù)隨應(yīng)力幅值的增大而減小，得出了我們目前在疲勞分析中常用的得出了我們目前在疲勞分析中常用的S-N曲線。曲線。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題

10、的歷史發(fā)展33S-N 曲曲 線線34 早期設(shè)計(jì)的飛機(jī)，相對(duì)來說使用應(yīng)力水平不早期設(shè)計(jì)的飛機(jī)，相對(duì)來說使用應(yīng)力水平不高，強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，所用材料抗疲勞性能較好等高，強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，所用材料抗疲勞性能較好等等原因，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題并不突出，疲勞強(qiáng)等原因，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題并不突出，疲勞強(qiáng)度問題也還沒有引起有關(guān)部門的重視。度問題也還沒有引起有關(guān)部門的重視。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展 因此，早期設(shè)計(jì)飛機(jī)只從靜強(qiáng)度進(jìn)行考慮，只因此，早期設(shè)計(jì)飛機(jī)只從靜強(qiáng)度進(jìn)行考慮，只要通過計(jì)算和試驗(yàn)證明飛機(jī)結(jié)構(gòu)能經(jīng)受得住可能產(chǎn)要通過計(jì)算和試驗(yàn)證明飛機(jī)結(jié)構(gòu)能經(jīng)受得住可能產(chǎn)生的最大使用載荷，就認(rèn)為具有足夠的強(qiáng)度

11、了。生的最大使用載荷，就認(rèn)為具有足夠的強(qiáng)度了。35 但是，隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的性但是，隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的性能不斷提高，使用壽命延長，新結(jié)構(gòu)、新材料不能不斷提高，使用壽命延長，新結(jié)構(gòu)、新材料不斷出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中疲勞破壞與安全可靠斷出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中疲勞破壞與安全可靠之間的矛盾逐漸暴露出來了。有不少靜強(qiáng)度看來之間的矛盾逐漸暴露出來了。有不少靜強(qiáng)度看來足夠的飛機(jī)，在使用中相繼發(fā)生嚴(yán)重事故。足夠的飛機(jī)，在使用中相繼發(fā)生嚴(yán)重事故。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展36 1954年英國噴氣式旅客機(jī)年英國噴氣式旅客機(jī)“彗星彗星1號(hào)號(hào)”連續(xù)連續(xù)兩次在航線上墜毀失事，機(jī)上

12、所有乘客和機(jī)組兩次在航線上墜毀失事，機(jī)上所有乘客和機(jī)組人員全部遇難，引起了震驚。人員全部遇難，引起了震驚。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展第一種噴氣式客機(jī)第一種噴氣式客機(jī)“彗星彗星”號(hào)號(hào) 37 英國的航空專家由此成立專門的調(diào)查組調(diào)查英國的航空專家由此成立專門的調(diào)查組調(diào)查事故，結(jié)論是：事故，結(jié)論是：“彗星彗星1 1號(hào)號(hào)”飛機(jī)在飛行中由于金飛機(jī)在飛行中由于金屬部件發(fā)生裂痕而造成了解體事故。屬部件發(fā)生裂痕而造成了解體事故。 產(chǎn)生這種裂痕的原因就是金屬疲勞。產(chǎn)生這種裂痕的原因就是金屬疲勞。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展38 據(jù)統(tǒng)計(jì)，從據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1948年到年到1965年期間，僅英

13、、美兩國年期間，僅英、美兩國曾陸續(xù)發(fā)生二十余起因疲勞強(qiáng)度不夠而造成的重大曾陸續(xù)發(fā)生二十余起因疲勞強(qiáng)度不夠而造成的重大事故或故障。事故或故障。 我國飛機(jī)在外場(chǎng)使用發(fā)生的強(qiáng)度問題中，有我國飛機(jī)在外場(chǎng)使用發(fā)生的強(qiáng)度問題中，有80%以上都是因疲勞破壞引起的，也發(fā)生過因飛機(jī)機(jī)翼以上都是因疲勞破壞引起的，也發(fā)生過因飛機(jī)機(jī)翼等結(jié)構(gòu)疲勞破壞引起的嚴(yán)重事故。等結(jié)構(gòu)疲勞破壞引起的嚴(yán)重事故。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展39 事實(shí)上，飛機(jī)中較早出現(xiàn)破壞的地方，常事實(shí)上，飛機(jī)中較早出現(xiàn)破壞的地方，常是某些振動(dòng)劇烈，反復(fù)加載較為嚴(yán)重的區(qū)域。是某些振動(dòng)劇烈，反復(fù)加載較為嚴(yán)重的區(qū)域。 一些金屬零件和接頭等則往往

14、從開槽或孔一些金屬零件和接頭等則往往從開槽或孔洞等應(yīng)力集中處出現(xiàn)疲勞裂紋。洞等應(yīng)力集中處出現(xiàn)疲勞裂紋。 這些問題引起了從事飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造人員這些問題引起了從事飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造人員的注意，并著手進(jìn)行應(yīng)力集中等對(duì)飛機(jī)疲勞壽的注意，并著手進(jìn)行應(yīng)力集中等對(duì)飛機(jī)疲勞壽命影響的研究工作。命影響的研究工作。2. 疲勞問題的歷史發(fā)展疲勞問題的歷史發(fā)展403. 疲勞的分類疲勞的分類(1) 按研究對(duì)象可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞按研究對(duì)象可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞 材料疲勞材料疲勞 研究材料的失效機(jī)理，化學(xué)成研究材料的失效機(jī)理，化學(xué)成 分和微觀組織對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，使用標(biāo)準(zhǔn)試件。分和微觀組織對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，使用標(biāo)準(zhǔn)

15、試件。 結(jié)構(gòu)疲勞結(jié)構(gòu)疲勞 則以零部件、接頭以至整機(jī)為研則以零部件、接頭以至整機(jī)為研究對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、究對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、壽命估算方法和疲勞試驗(yàn)方法。壽命估算方法和疲勞試驗(yàn)方法。41(2) 按失效周次可以分為高周疲勞和低周疲勞按失效周次可以分為高周疲勞和低周疲勞 高周疲勞高周疲勞材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)力作用下，經(jīng)104-105以上循環(huán)產(chǎn)生的失效。以上循環(huán)產(chǎn)生的失效。 低周疲勞低周疲勞材料在接近或超過其屈服強(qiáng)度的材料在接近或超過其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，低于應(yīng)力作用下，低于104-105次塑性應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生

16、的次塑性應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的失效。失效。3. 疲勞的分類疲勞的分類42(3)按應(yīng)力狀態(tài)可以分為單軸疲勞和多軸疲勞按應(yīng)力狀態(tài)可以分為單軸疲勞和多軸疲勞 單軸疲勞單軸疲勞單向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞，單向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞，零件只承受單向正應(yīng)力或單向切應(yīng)力。零件只承受單向正應(yīng)力或單向切應(yīng)力。 多軸疲勞多軸疲勞多向應(yīng)力作用下的疲勞，也稱多向應(yīng)力作用下的疲勞，也稱復(fù)合疲勞。復(fù)合疲勞。3. 疲勞的分類疲勞的分類43(4) 按載荷變化情況分為恒幅疲勞、變幅疲勞、隨按載荷變化情況分為恒幅疲勞、變幅疲勞、隨機(jī)疲勞機(jī)疲勞 恒幅疲勞恒幅疲勞所有峰值載荷均相等和所有谷值所有峰值載荷均相等和所有谷值載荷均相等。載荷均相等。

17、變幅載荷變幅載荷所有峰值載荷不等，或所有谷值所有峰值載荷不等，或所有谷值載荷不等，或兩者均不等。載荷不等，或兩者均不等。 隨機(jī)疲勞隨機(jī)疲勞幅值和頻率都是隨機(jī)變化的，而幅值和頻率都是隨機(jī)變化的，而且是不確定的。且是不確定的。3. 疲勞的分類疲勞的分類44(5)按載荷工況和工作環(huán)境可以分為常規(guī)疲勞、高按載荷工況和工作環(huán)境可以分為常規(guī)疲勞、高低溫疲勞、熱疲勞、熱低溫疲勞、熱疲勞、熱機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、接機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞和沖擊疲勞觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞和沖擊疲勞 常規(guī)疲勞常規(guī)疲勞在室溫和空氣介質(zhì)中的疲勞。在室溫和空氣介質(zhì)中的疲勞。 高低溫疲勞高低溫疲勞低于室溫的疲勞和高于室溫的

18、低于室溫的疲勞和高于室溫的疲勞。疲勞。 熱疲勞熱疲勞溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力所導(dǎo)致溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力所導(dǎo)致的疲勞。的疲勞。3. 疲勞的分類疲勞的分類45 熱熱- -機(jī)械疲勞機(jī)械疲勞溫度循環(huán)與應(yīng)變循環(huán)疊加。溫度循環(huán)與應(yīng)變循環(huán)疊加。 腐蝕疲勞腐蝕疲勞腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力的復(fù)合作用腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力的復(fù)合作用 。 接觸疲勞接觸疲勞滾動(dòng)接觸零件在循環(huán)應(yīng)力作用下滾動(dòng)接觸零件在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生損傷。產(chǎn)生損傷。 微動(dòng)磨損疲勞微動(dòng)磨損疲勞接觸面的微幅相對(duì)振動(dòng)造成接觸面的微幅相對(duì)振動(dòng)造成磨損疲勞。磨損疲勞。 沖擊疲勞沖擊疲勞重復(fù)沖擊載荷所導(dǎo)致的疲勞。重復(fù)沖擊載荷所導(dǎo)致的疲勞。3. 疲勞的分類疲勞的分類46

19、 液壓疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)液壓疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 微型寬頻拉微型寬頻拉- -扭疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)扭疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 47軟壓疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)軟壓疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 48電液伺服脈沖疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái)電液伺服脈沖疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái) 多軸高溫結(jié)構(gòu)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)多軸高溫結(jié)構(gòu)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 49菲利輪旋轉(zhuǎn)構(gòu)件疲勞菲利輪旋轉(zhuǎn)構(gòu)件疲勞/ /蠕變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蠕變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 曲軸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)曲軸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 50滾動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)滾動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 51 疲勞破壞總是由疲勞破壞總是由應(yīng)力應(yīng)變最高應(yīng)力應(yīng)變最高和和位向最不利位向最不利的薄的薄弱晶?；驃A雜等缺陷處起始，并沿著一定的結(jié)晶面擴(kuò)弱晶?；驃A雜等缺陷處起始，并沿著一定的結(jié)晶面擴(kuò)展。展。 所以金屬的疲勞破壞與多晶體的所

20、以金屬的疲勞破壞與多晶體的非均質(zhì)性非均質(zhì)性和和各向各向異性異性密切相關(guān)。密切相關(guān)。 一般說來，金屬的疲勞破壞可以分為三個(gè)階段：一般說來，金屬的疲勞破壞可以分為三個(gè)階段： 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生 疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展 失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂4. 金屬疲勞破壞機(jī)理金屬疲勞破壞機(jī)理52 4.1.1 裂紋萌生的概念裂紋萌生的概念 肉眼能觀察到的最小裂紋長度肉眼能觀察到的最小裂紋長度 電子顯微鏡的觀察范圍電子顯微鏡的觀察范圍 疲勞初期形成的裂紋最小長度為數(shù)微米疲勞初期形成的裂紋最小長度為數(shù)微米 工程尺寸裂紋的概念工程尺寸裂紋的概念疲勞裂紋的起始長疲勞裂紋的起始長度為度為0.076mm。 因檢測(cè)手段而異，

21、鋼軌因超聲波的探測(cè)靈敏因檢測(cè)手段而異，鋼軌因超聲波的探測(cè)靈敏度，一般定為度，一般定為1-2mm。4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生0.2-0.3mm3-553 4.1.2 裂紋萌生的機(jī)理裂紋萌生的機(jī)理 疲勞裂紋總是首先在應(yīng)力最高，強(qiáng)度最弱的基體上疲勞裂紋總是首先在應(yīng)力最高，強(qiáng)度最弱的基體上形成。形成。 機(jī)械加工的切削紋機(jī)械加工的切削紋 表面擦傷表面擦傷 結(jié)構(gòu)上的內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)上的內(nèi)圓角亞表面的夾雜物等應(yīng)力集中處亞表面的夾雜物等應(yīng)力集中處4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生裂紋萌生的形式裂紋萌生的形式54 裂紋萌生主要有以下三種形式裂紋萌生主要有以下三種形式 ： 夾雜物和基體界面開裂：夾雜物和基體界面開裂

22、： 滑移帶開裂：滑移帶開裂： 晶界開裂：晶界開裂： 4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生普通金屬材料普通金屬材料純金屬、單相合金純金屬、單相合金高溫下的材料高溫下的材料55 1) 夾雜物和基體界面開裂：夾雜物和基體界面開裂： 在金屬材料中，不同程度地存在一些非金屬夾雜物。在金屬材料中，不同程度地存在一些非金屬夾雜物。 鋼軌鋼軌中存在如下中存在如下氧化物氧化物： 氧化鋁氧化鋁 氧化鎂氧化鎂 強(qiáng)化引入的第二相粒子強(qiáng)化引入的第二相粒子 裂紋萌生：裂紋萌生： 夾雜物在交變應(yīng)力作用下與基體夾雜物在交變應(yīng)力作用下與基體沿界面分離沿界面分離； 夾雜物或粒子本身在交變應(yīng)力作用下發(fā)生夾雜物或粒子本身在交變應(yīng)力作用下

23、發(fā)生斷裂斷裂。4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生564.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生57 減少夾雜物減少夾雜物 減少第二相的粗大粒子減少第二相的粗大粒子4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生有效延遲疲勞裂紋的萌生有效延遲疲勞裂紋的萌生鋼液的真空處理鋼液的真空處理 電渣重熔等工藝電渣重熔等工藝減少鋼中的氣體減少鋼中的氣體及夾雜物及夾雜物58 2) 滑移帶開裂：滑移帶開裂： 在在軟金屬材料軟金屬材料中，疲勞裂紋一般起始于中，疲勞裂紋一般起始于晶界附近晶界附近或在或在某些滑移帶某些滑移帶上。上。 在單向靜拉伸載荷作用下，金屬試件的在單向靜拉伸載荷作用下，金屬試件的拋光表面拋光表面可以觀察到滑移帶，而同樣疲勞

24、過程的金屬表面也可以觀察到滑移帶，而同樣疲勞過程的金屬表面也出現(xiàn)滑移帶，與一般靜載過程出現(xiàn)的塑性變形相似，出現(xiàn)滑移帶，與一般靜載過程出現(xiàn)的塑性變形相似，但疲勞過程產(chǎn)生的滑移線但疲勞過程產(chǎn)生的滑移線更加不均勻更加不均勻。4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生594.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生材料表面材料表面材料表面材料表面a) 粗滑移粗滑移b) 細(xì)滑移細(xì)滑移約約0.1 mN=104N=5 104N=2.7 105（多晶體鎳恒幅應(yīng)力循環(huán)）（多晶體鎳恒幅應(yīng)力循環(huán)）擾動(dòng)載荷擾動(dòng)載荷 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 滑移帶滑移帶 駐留滑移帶駐留滑移帶 微裂紋、擴(kuò)展微裂紋、擴(kuò)展 宏觀裂紋、擴(kuò)展宏觀裂紋、擴(kuò)展60 2) 滑移

25、帶開裂：滑移帶開裂： 對(duì)于對(duì)于高強(qiáng)度金屬材料高強(qiáng)度金屬材料，疲勞裂紋源一般在應(yīng)力集，疲勞裂紋源一般在應(yīng)力集中處，而與滑移變形關(guān)系不大。主要原因包括：中處，而與滑移變形關(guān)系不大。主要原因包括： （1）應(yīng)力）應(yīng)力遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滑移有限；材料的屈服極限，滑移有限； （2）滑移距離較短，）滑移距離較短，塑性變形較小塑性變形較?。?（3）高強(qiáng)材料對(duì)應(yīng)力集中更為明顯，一般在）高強(qiáng)材料對(duì)應(yīng)力集中更為明顯，一般在應(yīng)力應(yīng)力集中集中處形成疲勞裂紋源。處形成疲勞裂紋源。4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生614.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生位錯(cuò)塞積位錯(cuò)塞積應(yīng)力集中應(yīng)力集中形成裂紋形成裂紋 3) 晶界開裂：

26、晶界開裂： 對(duì)于對(duì)于高溫下的材料高溫下的材料，滑移帶到達(dá)晶界時(shí)，在晶界，滑移帶到達(dá)晶界時(shí)，在晶界上受阻。上受阻。應(yīng)變不斷增加應(yīng)變不斷增加材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的應(yīng)變量愈大，位錯(cuò)塞積群愈材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的應(yīng)變量愈大，位錯(cuò)塞積群愈大，應(yīng)力集中就愈高，愈易于形成裂紋。大，應(yīng)力集中就愈高，愈易于形成裂紋。62 3) 晶界開裂：晶界開裂： 采用各種工藝措施來采用各種工藝措施來細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒，能推遲疲勞裂，能推遲疲勞裂紋的萌生。紋的萌生。4.1 疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的形成環(huán)境的影響環(huán)境的影響腐蝕環(huán)境腐蝕環(huán)境腐蝕坑腐蝕坑聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)磨損坑磨損坑63 疲勞裂紋的擴(kuò)

27、展分為兩個(gè)階段：疲勞裂紋的擴(kuò)展分為兩個(gè)階段： 第一階段第一階段: : 切向擴(kuò)展切向擴(kuò)展 第二階段：第二階段： 正向擴(kuò)展正向擴(kuò)展（型裂紋型裂紋） 開始階段開始階段 中間階段中間階段 過渡階段過渡階段 4.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展64 4.2.1 切向擴(kuò)展：切向擴(kuò)展： 滑移帶裂紋在交變滑移帶裂紋在交變應(yīng)力作用下，裂紋尖應(yīng)力作用下，裂紋尖端將沿著與應(yīng)力軸成端將沿著與應(yīng)力軸成45o方向方向的滑移面擴(kuò)的滑移面擴(kuò)展。展。 零部件的表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，最大零部件的表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，最大切應(yīng)力與主應(yīng)力方向成切應(yīng)力與主應(yīng)力方向成45o 角。角。4.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展65 4.2.2正

28、向擴(kuò)展：向擴(kuò)展： 中間階段中間階段小裂紋連成長裂紋，以單純正向疲小裂紋連成長裂紋，以單純正向疲勞方式勞方式均勻穩(wěn)定均勻穩(wěn)定向前擴(kuò)展；向前擴(kuò)展；路徑，并相互連接為路徑，并相互連接為垂直于應(yīng)力軸線垂直于應(yīng)力軸線的單一主裂紋；的單一主裂紋； 開始階段開始階段裂紋短小，以裂紋短小，以隧道隧道形式形式向內(nèi)緩慢擴(kuò)展，各個(gè)小裂紋按向內(nèi)緩慢擴(kuò)展，各個(gè)小裂紋按最最大拉應(yīng)力大拉應(yīng)力和和最小阻力最小阻力原則選擇擴(kuò)展原則選擇擴(kuò)展 過渡階段過渡階段擴(kuò)展至一定深度，工作截面減小，擴(kuò)展至一定深度，工作截面減小，應(yīng)力增加，裂紋應(yīng)力增加，裂紋加速擴(kuò)展加速擴(kuò)展。4.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展66 第二階段裂紋擴(kuò)展：第二階段

29、裂紋擴(kuò)展： 4.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展Laird（萊爾德）（萊爾德） 范性鈍化模型范性鈍化模型 裂紋尖端處于裂紋尖端處于尖銳尖銳狀態(tài)狀態(tài) 裂紋閉合，長度增長，形成裂紋閉合，長度增長，形成新的裂紋尖端新的裂紋尖端 裂紋尖產(chǎn)生裂紋尖產(chǎn)生塑性變形塑性變形 裂紋尖加寬，鈍化成裂紋尖加寬，鈍化成半圓半圓 卸載產(chǎn)生反向滑移，并因皺卸載產(chǎn)生反向滑移，并因皺曲使裂紋尖變成曲使裂紋尖變成雙缺口雙缺口 67 5.1疲勞破壞的特征：疲勞破壞的特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 疲勞破壞的特征和靜力破壞有著本質(zhì)的不同，主疲勞破壞的特征和靜力破壞有著本質(zhì)的不同，主要有要有五大五大特征：特征：b

30、1）在交變載荷作用下，構(gòu)件中的交變應(yīng)力在）在交變載荷作用下，構(gòu)件中的交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限材料的強(qiáng)度極限（ ）的情況下，破壞就可能發(fā)生。）的情況下，破壞就可能發(fā)生。68 5.1疲勞破壞的特征：疲勞破壞的特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 2）不管是脆性材料或塑性材料，疲勞斷裂在宏觀）不管是脆性材料或塑性材料，疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形無明顯塑性變形的突然斷裂，故疲勞斷的突然斷裂，故疲勞斷裂常表現(xiàn)為裂常表現(xiàn)為低應(yīng)力類脆性斷裂低應(yīng)力類脆性斷裂。 3）疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，而）疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，而并不牽涉到整個(gè)并不牽涉到整個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的所有材

31、料，的所有材料，局部改變局部改變細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或工藝措施工藝措施，即可較明顯地增加疲勞壽命。即可較明顯地增加疲勞壽命。 69 4）疲勞破壞是一個(gè)）疲勞破壞是一個(gè)累積損傷累積損傷的過程，需經(jīng)歷一定的過程，需經(jīng)歷一定的時(shí)間歷程，甚至是很長的時(shí)間歷程。實(shí)踐已經(jīng)證的時(shí)間歷程，甚至是很長的時(shí)間歷程。實(shí)踐已經(jīng)證明，疲勞斷裂由三個(gè)過程組成，即明，疲勞斷裂由三個(gè)過程組成，即 (I)裂紋裂紋(成核成核)形成形成， ()裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展， ()裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)的快速裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)的快速(不穩(wěn)定不穩(wěn)定)斷裂斷裂。 5.1疲勞破壞的特征：疲勞破壞的特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征70

32、5）疲勞破壞斷口在宏觀）疲勞破壞斷口在宏觀和微觀上均有其特征，特和微觀上均有其特征，特別是其宏觀特征在外場(chǎng)目別是其宏觀特征在外場(chǎng)目視檢查即能進(jìn)行觀察，可視檢查即能進(jìn)行觀察，可以幫助我們分析判斷是否以幫助我們分析判斷是否屬于疲勞破壞等。屬于疲勞破壞等。 5.1疲勞破壞的特征：疲勞破壞的特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征71疲勞破壞疲勞破壞 S SSuSu破壞是局部損傷累積的結(jié)破壞是局部損傷累積的結(jié)果。果。斷口光滑，有海灘條帶或斷口光滑，有海灘條帶或腐蝕痕跡。有裂紋源、裂腐蝕痕跡。有裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。無明顯塑性變形。無明顯塑性變形。應(yīng)力集中對(duì)壽命影響大。

33、應(yīng)力集中對(duì)壽命影響大。 由斷口可分析由斷口可分析、等，是等，是的重要依據(jù)。的重要依據(jù)。靜載破壞靜載破壞 S SSuSu破壞是瞬間發(fā)生的。破壞是瞬間發(fā)生的。斷口粗糙，新鮮，無表面斷口粗糙，新鮮，無表面磨蝕及腐蝕痕跡。磨蝕及腐蝕痕跡。韌性材料塑性變形明顯。韌性材料塑性變形明顯。應(yīng)力集中對(duì)極限承載能力應(yīng)力集中對(duì)極限承載能力 影響不大。影響不大。72 5.2宏觀形貌特征：宏觀形貌特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 疲勞斷口最顯著疲勞斷口最顯著的宏觀形貌特征就是的宏觀形貌特征就是無明顯的塑性變形無明顯的塑性變形和和可以劃分為可以劃分為兩個(gè)兩個(gè)截然截然不同的區(qū)域：不同的區(qū)域：1 1）平滑的

34、）平滑的疲疲 勞區(qū)勞區(qū)2 2）凹凸不平的）凹凸不平的失穩(wěn)失穩(wěn)斷裂區(qū)斷裂區(qū)萌生區(qū)萌生區(qū)擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展區(qū)73 5.2宏觀形貌特征：宏觀形貌特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 疲勞區(qū)的疲勞區(qū)的宏觀形貌特征宏觀形貌特征如下：如下： 1）斷口呈現(xiàn)）斷口呈現(xiàn)細(xì)晶粒細(xì)晶粒，較，較平滑平滑。受空氣氧化或腐。受空氣氧化或腐蝕，一般蝕，一般顏色較深顏色較深。該區(qū)上常出現(xiàn)如。該區(qū)上常出現(xiàn)如海灘狀的花紋海灘狀的花紋，裂紋擴(kuò)展方向與海灘狀花樣裂紋擴(kuò)展方向與海灘狀花樣垂直垂直，指向，指向曲率半徑較曲率半徑較大大的方向；的方向； 2）疲勞斷口中往往有）疲勞斷口中往往有磨光標(biāo)記磨光標(biāo)記，它是在裂紋的，它是在裂紋的

35、擴(kuò)展過程中，由于裂紋面的擴(kuò)展過程中，由于裂紋面的摩擦和擠壓摩擦和擠壓造成的；造成的；74 3）由于空氣和其它介質(zhì)的腐蝕作用，疲勞區(qū)）由于空氣和其它介質(zhì)的腐蝕作用，疲勞區(qū)多多為暗色為暗色； 4）在多源疲勞中，由于各裂紋源往往不在同一）在多源疲勞中，由于各裂紋源往往不在同一平面上，而是隨著裂紋的擴(kuò)展逐漸平面上，而是隨著裂紋的擴(kuò)展逐漸合并合并，因此在聯(lián)，因此在聯(lián)接處形成接處形成“臺(tái)階臺(tái)階”。瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)的宏觀形貌特征：的宏觀形貌特征： 粗晶粒粗晶粒 5.2 宏觀形貌特征：宏觀形貌特征： 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征75磨床砂輪軸的典型斷口磨床砂輪軸的典型斷口疲疲勞勞源源76航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓

36、氣機(jī)葉片的典型斷口航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的典型斷口 77 5.3 疲勞破壞的分析：疲勞破壞的分析： 5. 勞斷口的形貌特征勞斷口的形貌特征 分析疲勞破壞失效的目的，是分析疲勞破壞失效的目的，是查明查明斷裂的斷裂的原因原因，作為制定改進(jìn)措施及新設(shè)計(jì)的作為制定改進(jìn)措施及新設(shè)計(jì)的依據(jù)依據(jù)，對(duì)于，對(duì)于改進(jìn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)具有重要的意義。具有重要的意義。疲勞斷口疲勞斷口 應(yīng)力集中情況應(yīng)力集中情況 載荷類型和大小載荷類型和大小 零部件形狀零部件形狀 78 在失效分析中，首先要確定在失效分析中，首先要確定主裂紋主裂紋與與二次裂紋二次裂紋。由于主裂紋。由于主裂紋是先于二次裂紋發(fā)生的，所以最是先于二次裂紋發(fā)生

37、的，所以最早出現(xiàn)的早出現(xiàn)的疲勞裂紋源疲勞裂紋源是在主裂紋是在主裂紋上。上。A裂紋裂紋早于早于B裂紋裂紋A裂紋裂紋的存在才能的存在才能阻止阻止B裂紋裂紋的擴(kuò)展的擴(kuò)展 5.3 疲勞破壞的分析：疲勞破壞的分析： 5. 勞斷口的形貌特征勞斷口的形貌特征79 5.3.1 載荷類型對(duì)疲勞斷口的影響載荷類型對(duì)疲勞斷口的影響 零部件上工作載荷的類型，對(duì)疲勞裂紋的零部件上工作載荷的類型，對(duì)疲勞裂紋的萌生萌生、擴(kuò)展擴(kuò)展及及斷口外貌斷口外貌有很大影響。有很大影響。 （一）交變單向彎曲（一）交變單向彎曲 （二）交變雙向彎曲（二）交變雙向彎曲 （三）旋轉(zhuǎn)彎曲（三）旋轉(zhuǎn)彎曲 （四）軸向拉壓（四）軸向拉壓 （五）交變扭轉(zhuǎn)（

38、五）交變扭轉(zhuǎn)5. 勞斷口的形貌特征勞斷口的形貌特征80 （一）交變單向彎曲一）交變單向彎曲 疲勞斷口與軸線成疲勞斷口與軸線成90o，裂紋源從交變拉應(yīng)力裂紋源從交變拉應(yīng)力最大最大一邊開始。一邊開始。 低周疲勞低周疲勞幾個(gè)幾個(gè)裂紋裂紋源，裂紋擴(kuò)展源，裂紋擴(kuò)展不深不深； 高周疲勞高周疲勞疲勞擴(kuò)展疲勞擴(kuò)展區(qū)大，區(qū)大，一個(gè)一個(gè)裂紋源，疲勞條紋更為裂紋源，疲勞條紋更為平直平直。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征81 （二）交變雙向彎曲二）交變雙向彎曲 低周疲勞低周疲勞一般有一般有兩個(gè)兩個(gè)裂紋源，裂紋源，同時(shí)向內(nèi)同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)擴(kuò)展；展； 高周疲勞高周疲勞第二個(gè)第二個(gè)裂紋源與第一個(gè)裂紋源一裂紋源與第一個(gè)裂

39、紋源一般不會(huì)同時(shí)形成，所以般不會(huì)同時(shí)形成，所以兩裂紋兩裂紋深度相差很大深度相差很大。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征82 （三）旋轉(zhuǎn)彎曲三）旋轉(zhuǎn)彎曲 低應(yīng)力水平：低應(yīng)力水平： 裂紋源一般從裂紋源一般從一點(diǎn)一點(diǎn)開始。由開始。由于載荷向于載荷向旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，因此，因此順載荷方向順載荷方向擴(kuò)展快擴(kuò)展快，逆載荷方，逆載荷方向向擴(kuò)展慢擴(kuò)展慢，最后形成，最后形成瞬斷區(qū)偏瞬斷區(qū)偏斜斜的斷口。的斷口。 高應(yīng)力水平高應(yīng)力水平：圓周上產(chǎn)生多出裂紋源，同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展，最后形成圓周上產(chǎn)生多出裂紋源，同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展，最后形成圓的圓的疲勞條紋疲勞條紋和和疲勞區(qū)疲勞區(qū)。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形

40、貌特征83 （四）軸向拉壓四）軸向拉壓 內(nèi)部缺陷：內(nèi)部缺陷： 當(dāng)應(yīng)力分布均勻，無應(yīng)當(dāng)應(yīng)力分布均勻，無應(yīng)力集中因素，裂紋源產(chǎn)生于力集中因素，裂紋源產(chǎn)生于內(nèi)部，疲勞裂紋呈內(nèi)部，疲勞裂紋呈圓形分布圓形分布。 表面缺陷表面缺陷表面不同位置形成裂紋源，疲勞表面不同位置形成裂紋源，疲勞擴(kuò)展區(qū)直接相連擴(kuò)展區(qū)直接相連，最后形成拉壓疲勞斷口的特有形態(tài)。最后形成拉壓疲勞斷口的特有形態(tài)。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征84 （五）交變雙向扭轉(zhuǎn)五）交變雙向扭轉(zhuǎn) 在雙向交變扭轉(zhuǎn)作用下，在相應(yīng)的在雙向交變扭轉(zhuǎn)作用下，在相應(yīng)的各個(gè)起點(diǎn)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生裂紋，分別沿上發(fā)生裂紋，分別沿+45+45o o和和-45-45o

41、 o兩個(gè)傾斜方向擴(kuò)兩個(gè)傾斜方向擴(kuò)展，當(dāng)相鄰裂紋相交后即形成展，當(dāng)相鄰裂紋相交后即形成鋸齒形斷口鋸齒形斷口。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征85 （六）交變單向扭轉(zhuǎn)六）交變單向扭轉(zhuǎn) 在單向交變扭轉(zhuǎn)作用下，在相應(yīng)的在單向交變扭轉(zhuǎn)作用下，在相應(yīng)的各個(gè)起點(diǎn)各個(gè)起點(diǎn)上上發(fā)生裂紋，只沿發(fā)生裂紋，只沿+45+45o o傾斜方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到傾斜方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，最后相連而斷裂形成一定程度，最后相連而斷裂形成棘輪狀花樣斷口棘輪狀花樣斷口。5. 勞斷口的形貌特征勞斷口的形貌特征86不同載荷情況疲勞斷口的形貌不同載荷情況疲勞斷口的形貌87 5.3.2 超載及應(yīng)力集中的影響超載及應(yīng)力集中

42、的影響 把名義應(yīng)力超過材料的疲勞極限定義為把名義應(yīng)力超過材料的疲勞極限定義為“超載超載”。 當(dāng)超載當(dāng)超載不大時(shí)不大時(shí)，一般屬于高周疲勞；，一般屬于高周疲勞； 超載很大超載很大就很可能發(fā)生低周疲勞。就很可能發(fā)生低周疲勞。 現(xiàn)將名義應(yīng)力大小及應(yīng)力集中對(duì)零部件疲勞斷口形現(xiàn)將名義應(yīng)力大小及應(yīng)力集中對(duì)零部件疲勞斷口形態(tài)的影響總結(jié)如下：態(tài)的影響總結(jié)如下：5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征88 1）工作應(yīng)力高工作應(yīng)力高或存在較大的或存在較大的應(yīng)力集中應(yīng)力集中的情況下，的情況下，有可能形成有可能形成多個(gè)裂紋源多個(gè)裂紋源；在；在超載不大超載不大的情況下，的情況下，一般只生成一一般只生成一個(gè)疲勞裂紋源個(gè)疲

43、勞裂紋源。 2）當(dāng)斷口上的疲勞裂紋條紋）當(dāng)斷口上的疲勞裂紋條紋繞裂紋源繞裂紋源向向外凸起外凸起并并近似同心圓近似同心圓時(shí)，則表示零部件表面時(shí)，則表示零部件表面無應(yīng)力集中無應(yīng)力集中或應(yīng)力集中較??；當(dāng)裂紋或應(yīng)力集中較??；當(dāng)裂紋呈凹形呈凹形時(shí)，表示零部件時(shí)，表示零部件的表面有的表面有較大較大的的應(yīng)力集中應(yīng)力集中。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征89 3）斷口上的條紋）斷口上的條紋間距間距若是若是規(guī)則規(guī)則的，表示應(yīng)力的的，表示應(yīng)力的變化量是規(guī)則變化量是規(guī)則的，否則表示應(yīng)力變化不規(guī)則。的，否則表示應(yīng)力變化不規(guī)則。 4）較小較小的條紋間距，表示材料的的條紋間距，表示材料的韌性較好韌性較好，疲，疲

44、勞裂紋勞裂紋擴(kuò)展緩慢擴(kuò)展緩慢。一般情況，。一般情況，較軟較軟的金屬材料容的金屬材料容易看出疲勞裂紋，易看出疲勞裂紋，較硬較硬的材料，很難看到裂紋條的材料，很難看到裂紋條紋。紋。5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征905. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 5）當(dāng)）當(dāng)名義應(yīng)力增大名義應(yīng)力增大時(shí)，瞬斷區(qū)相對(duì)于裂紋區(qū)的時(shí)，瞬斷區(qū)相對(duì)于裂紋區(qū)的面積也增大面積也增大；相反區(qū)域；相反區(qū)域較小較小，表示超載，表示超載較小較小，所，所以可通過瞬斷區(qū)大小判斷超載程度。以可通過瞬斷區(qū)大小判斷超載程度。 6）旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞斷口瞬斷區(qū)的）旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞斷口瞬斷區(qū)的位置位置，常相對(duì)，常相對(duì)于裂紋源于裂紋源逆旋

45、轉(zhuǎn)逆旋轉(zhuǎn)方向偏一個(gè)角度。如其他條件不方向偏一個(gè)角度。如其他條件不變僅變僅名義應(yīng)力增大名義應(yīng)力增大時(shí)，瞬斷區(qū)時(shí)，瞬斷區(qū)向截面中心移動(dòng)向截面中心移動(dòng)。915. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 7）在）在彎曲扭轉(zhuǎn)載荷彎曲扭轉(zhuǎn)載荷下，零部件上得最大應(yīng)力發(fā)下，零部件上得最大應(yīng)力發(fā)生在生在表面表面，所以裂紋源一般在，所以裂紋源一般在表面或亞表面表面或亞表面。 波動(dòng)拉伸波動(dòng)拉伸或或?qū)ΨQ拉壓疲勞對(duì)稱拉壓疲勞，其裂紋源也可能發(fā)，其裂紋源也可能發(fā)生在亞表面。生在亞表面。92 5.4 疲勞斷口的微觀形貌特征疲勞斷口的微觀形貌特征 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征疲勞裂紋萌生機(jī)理：疲勞裂紋萌生機(jī)理：裂

46、紋起源（裂紋源）在何處？裂紋起源（裂紋源）在何處？ 高應(yīng)力處：高應(yīng)力處：1）應(yīng)力集中處；缺陷、夾雜，或孔、切口、臺(tái)階等）應(yīng)力集中處；缺陷、夾雜，或孔、切口、臺(tái)階等2）構(gòu)件表面；）構(gòu)件表面； 應(yīng)力較高，有加工痕跡，應(yīng)力較高，有加工痕跡， 平面應(yīng)力狀態(tài)，易于滑移發(fā)生。平面應(yīng)力狀態(tài)，易于滑移發(fā)生。疲勞裂紋的起始或萌生，稱為疲勞裂紋成核。疲勞裂紋的起始或萌生，稱為疲勞裂紋成核。疲勞裂疲勞裂紋成核紋成核擴(kuò)展至臨擴(kuò)展至臨界尺寸界尺寸斷裂斷裂發(fā)生發(fā)生93 5.4 疲勞斷口的微觀形貌特征疲勞斷口的微觀形貌特征 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 裂紋擴(kuò)展的微觀形貌主裂紋擴(kuò)展的微觀形貌主要有以下特征：要有以下特征： 1）每個(gè)斷口由若干個(gè)）每個(gè)斷口由若干個(gè)凹凸凹凸不平的小斷片不平的小斷片組成，斷片結(jié)組成，斷片結(jié)合處形成合處形成臺(tái)階臺(tái)階；94 5.4 疲勞斷口的微觀形貌特征疲勞斷口的微觀形貌特征 5. 疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口的形貌特征 2）斷口上有很多）斷口上有很多細(xì)小的條紋細(xì)小的條紋，這些條紋，這些條紋略帶弧形略帶弧形，在同一個(gè)斷片上，在同一個(gè)斷片上連續(xù)平行連續(xù)平行，具有，具有規(guī)則的間距，與規(guī)則的間距，與裂紋擴(kuò)展方向垂直裂紋擴(kuò)展方向垂直；疲勞條紋疲勞條紋塑性條紋塑性條紋脆性條紋脆性條紋較為常見較為常見與其相垂直的與其相垂直的河流河流狀花樣相伴狀花