第五章+材料的疲勞性能 (1)

1、第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能一一. 疲勞破壞的變動應(yīng)力疲勞破壞的變動應(yīng)力5-1 疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律 疲勞：材料在變動載荷和應(yīng)變的長期作用下，因累積疲勞：材料在變動載荷和應(yīng)變的長期作用下，因累積損傷引起的斷裂現(xiàn)象。損傷引起的斷裂現(xiàn)象。 工程中許多機(jī)件和構(gòu)件承受變動載荷，如曲軸、連桿、工程中許多機(jī)件和構(gòu)件承受變動載荷，如曲軸、連桿、齒輪、葉片、橋梁等，它們的失效主要是疲勞斷裂。齒輪、葉片、橋梁等，它們的失效主要是疲勞斷裂。 本章主要研究疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過程及機(jī)理、本章主要研究疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過程及機(jī)理、疲勞力學(xué)性能指標(biāo)及影響因素。疲勞力學(xué)性能指標(biāo)及影

2、響因素。變動應(yīng)力變動應(yīng)力周期變動應(yīng)力周期變動應(yīng)力隨機(jī)變動應(yīng)力隨機(jī)變動應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力特征參量：循環(huán)應(yīng)力特征參量：最大應(yīng)力最大應(yīng)力max最小應(yīng)力最小應(yīng)力min平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m=1/2（ max +min）應(yīng)力幅應(yīng)力幅 a=1/2（max-min）應(yīng)力比應(yīng)力比 =min/max循環(huán)應(yīng)力分類循環(huán)應(yīng)力分類對稱循環(huán)：對稱循環(huán)：m=0，r=-1不對稱循環(huán)：不對稱循環(huán)： m0，- 1r1脈動循環(huán)：脈動循環(huán)：m=a0，r=0 m=a 0 ，r=波動循環(huán)：波動循環(huán)： m a， 0r1隨機(jī)變動應(yīng)力隨機(jī)變動應(yīng)力二、疲勞分類及特點(diǎn)二、疲勞分類及特點(diǎn)1. 分類分類u按應(yīng)力狀態(tài)不同，可分為：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉按應(yīng)力狀

3、態(tài)不同，可分為：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞壓疲勞、復(fù)合疲勞u按環(huán)境及接觸情況不同，可分為：大氣疲勞、腐蝕疲按環(huán)境及接觸情況不同，可分為：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞u按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可分為：高周疲勞、低按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可分為：高周疲勞、低周疲勞周疲勞 高周疲勞特點(diǎn)：高周疲勞特點(diǎn)：斷裂壽命較長，斷裂壽命較長，Nf105周次，斷裂應(yīng)周次，斷裂應(yīng)力水平較低，力水平較低，-1p-14、疲勞極限與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系、疲勞極限與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系 鋼：鋼：-1p=0.23（s+b） -1=0.27（s+b） 鑄鐵：鑄鐵：-1p=0

4、.4b -1=0.45b 鋁合金：鋁合金：-1p=b/6 +7.5(MPa) -1=b/6 -7.5(MPa) 青銅：青銅：-1=0.21b鋼的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系鋼的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系三三. 過載持久值和過載損傷界過載持久值和過載損傷界過載損傷界過載損傷界u過載持久值過載持久值 材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)行，發(fā)生疲勞斷裂的材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)行，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，稱為過載持久值，也稱有限疲勞壽命。應(yīng)力循環(huán)周次，稱為過載持久值，也稱有限疲勞壽命。u過載損傷界過載損傷界 如果金屬在高于疲勞極限如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次

5、后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了過載損傷。這就造成了過載損傷。 金屬材料抵抗疲勞過載損金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用過載損傷界或過傷的能力，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。載損傷區(qū)表示。 疲勞過載損傷是由裂紋的疲勞過載損傷是由裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展造成。亞穩(wěn)擴(kuò)展造成。四四. 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度q 0q 1 1 作作a-Na-N曲線曲線 曲線斜率曲線斜率da/dNda/dN為裂紋擴(kuò)為裂紋擴(kuò)展速率；裂紋達(dá)到展速率；裂紋達(dá)到a ac c，da/dNda/dN無限大。無限大。引入斷裂韌度：引入斷裂韌度：1maxminmaxminKKKY

6、aYaYa1lglgda dNK曲線1lglgda dNK曲線u I區(qū)（初始段）區(qū)（初始段） KKth，裂紋不擴(kuò)展。裂紋不擴(kuò)展。 KKth，裂紋擴(kuò)展但不快。，裂紋擴(kuò)展但不快。 u II區(qū)（穩(wěn)態(tài)段），裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)區(qū)（穩(wěn)態(tài)段），裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的展，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的主要段。主要段。u III區(qū)（失穩(wěn)段），裂紋失穩(wěn)擴(kuò)區(qū)（失穩(wěn)段），裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。展。疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式：疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式：Paris公式：公式：Forman公式：公式：考慮門檻值的公式：考慮門檻值的公式：整個(gè)擴(kuò)展過程公式：整個(gè)擴(kuò)展過程公式：1nda dNCK111mcCKda dNr KK1mthda

7、dNAKK111mthcAKKda dNr KK疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算：疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算：u確定應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式：確定應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式：u校驗(yàn)校驗(yàn)maxmax/ /s s0.6-0.70.6-0.7，確定是否需要修正。，確定是否需要修正。u計(jì)算計(jì)算a ac c。u計(jì)算剩余疲勞壽命。計(jì)算剩余疲勞壽命。1KYa21max1maxccccKYaaKY1nda dNCK000211cccnaaannaaadaNdNadaCKC Y5-4 影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素u載荷條件載荷條件 應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力、應(yīng)力比應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力、應(yīng)力比 過載損傷過載損傷

8、次載鍛煉：提高疲勞強(qiáng)度次載鍛煉：提高疲勞強(qiáng)度 間歇效應(yīng)：適當(dāng)間歇可以提高疲勞強(qiáng)度間歇效應(yīng)：適當(dāng)間歇可以提高疲勞強(qiáng)度 載荷頻率：載荷頻率：11000170 100050 17011rrrfHzffHzffHzfHzf無影響一一. 工作條件的影響工作條件的影響u載荷條件載荷條件 溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高。溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高。u腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì) 腐蝕介質(zhì)的存在，降低疲勞強(qiáng)度。腐蝕介質(zhì)的存在，降低疲勞強(qiáng)度。 二二. 表面狀態(tài)和尺寸因素的影響表面狀態(tài)和尺寸因素的影響u表面狀態(tài)表面狀態(tài) 表面缺口降低疲勞強(qiáng)度。表面缺口降低疲勞強(qiáng)度。u尺寸因素尺寸因素 尺寸增大降低疲勞強(qiáng)度。尺寸增大降低疲勞強(qiáng)度。 三三.

9、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響提高表面塑變抗力，降低表面有效拉應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度提高表面塑變抗力，降低表面有效拉應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度表面噴丸及滾壓表面噴丸及滾壓表面熱處理：火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透表面熱處理：火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。性鋼的整體加熱薄殼淬火等。和化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。和化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。復(fù)合強(qiáng)化復(fù)合強(qiáng)化u表面強(qiáng)化處理：可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面強(qiáng)化處理：可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。四四. 材料成分及

10、組織的影響材料成分及組織的影響u合金成分合金成分 合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。在各種結(jié)合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，這類鋼中碳構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，這類鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素。是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素。 碳既可間隙固溶，又可以碳化物彌散析出，兼具固溶碳既可間隙固溶，又可以碳化物彌散析出，兼具固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，阻止裂紋萌生和提高疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，阻止裂紋萌生和提高疲勞強(qiáng)度。u顯微組織顯微組織 細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶?qiáng)度。細(xì)化晶粒可以提高材料的疲勞強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)鋼的正火組織因碳化物為片狀，疲勞強(qiáng)度最低，結(jié)構(gòu)鋼的正火組織因碳化物為片狀，疲勞強(qiáng)度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀，疲勞強(qiáng)度比正火的高。淬火回火組織因碳化物為粒狀，疲勞強(qiáng)度比正火的高。u非金屬夾雜物及冶金缺陷非金屬夾雜物及冶金缺陷 減少非金屬夾雜物的數(shù)量及尺寸有效提高疲勞強(qiáng)度；減少非金屬夾雜物的數(shù)量及尺寸有效提高疲勞強(qiáng)度； 氣孔、縮孔、偏析、折疊等缺陷，會降低疲勞強(qiáng)度。氣孔、縮孔、偏析、折疊等缺陷，會降低疲勞強(qiáng)度。5-5 熱疲勞熱疲勞一一. 熱疲勞的概念熱疲勞的概念 在循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下，產(chǎn)生的疲勞稱在循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下，產(chǎn)生的疲勞稱為熱疲