材料性能學(xué)-第5章.

1、1材料性能學(xué)材料性能學(xué)2第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能5.1 5.1 前言前言5.2 5.2 疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律5.3 5.3 疲勞破壞的機(jī)理疲勞破壞的機(jī)理5.4 5.4 疲勞抗力指標(biāo)疲勞抗力指標(biāo)5.5 5.5 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5.6 5.6 熱疲勞熱疲勞35.1 5.1 前言前言CKan 材料的設(shè)計(jì)材料的設(shè)計(jì) 材料力學(xué)：材料力學(xué)： 斷裂力學(xué)：斷裂力學(xué)： 一次加載的安全性一次加載的安全性。 多次或長(zhǎng)期加載的安全性如何多次或長(zhǎng)期加載的安全性如何? 如如鐵絲的多次鐵絲的多次彎曲彎曲。 上章是關(guān)于上章是關(guān)于裂紋試件的靜力學(xué)裂紋試件

2、的靜力學(xué)問題，本章是問題，本章是裂裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力學(xué)紋擴(kuò)展的動(dòng)力學(xué)問題。問題。sn4n 疲勞的概念及現(xiàn)象疲勞的概念及現(xiàn)象工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷而工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以至斷裂失效的全過程稱為導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。疲勞。 統(tǒng)計(jì)分析顯示，在機(jī)械斷裂失效總數(shù)中，疲勞統(tǒng)計(jì)分析顯示，在機(jī)械斷裂失效總數(shù)中，疲勞失效約占失效約占80%以上，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、以上，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、軋輥等都是在變動(dòng)載荷下工作的。軋輥等都是在變動(dòng)載荷下工作的。 疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，

3、難以檢測(cè)和預(yù)防，因而機(jī)件的疲勞斷裂會(huì)造成很大的檢測(cè)和預(yù)防，因而機(jī)件的疲勞斷裂會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。5n 研究疲勞的意義研究疲勞的意義 研究材料在變動(dòng)載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)、裂紋研究材料在變動(dòng)載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)、裂紋萌生和擴(kuò)展特性，對(duì)于評(píng)定工程材料的疲勞抗力，萌生和擴(kuò)展特性，對(duì)于評(píng)定工程材料的疲勞抗力，進(jìn)而為工程結(jié)構(gòu)部件的抗疲勞設(shè)計(jì)、評(píng)估構(gòu)件的進(jìn)而為工程結(jié)構(gòu)部件的抗疲勞設(shè)計(jì)、評(píng)估構(gòu)件的疲勞壽命以及尋求改善工程材料的疲勞抗力的途疲勞壽命以及尋求改善工程材料的疲勞抗力的途徑等都是非常重要的。徑等都是非常重要的。65.2 5.2 疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律5.2

4、.1 疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律 變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷(應(yīng)力應(yīng)力)是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律呈周期性變化或無規(guī)則隨機(jī)變化的載間按一定規(guī)律呈周期性變化或無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷荷， 前者稱為前者稱為周期變動(dòng)載荷周期變動(dòng)載荷(應(yīng)力應(yīng)力)或循環(huán)載荷或循環(huán)載荷(應(yīng)應(yīng)力力)，后者稱為，后者稱為隨機(jī)變動(dòng)載荷。隨機(jī)變動(dòng)載荷。 當(dāng)然，實(shí)際機(jī)器部件承受的載荷一般多屬后者，當(dāng)然，實(shí)際機(jī)器部件承受的載荷一般多屬后者，但就工程材料的疲勞特性分析和評(píng)定而言，為簡(jiǎn)化但就工程材料的疲勞特性分析和評(píng)定而言，為簡(jiǎn)化討論，主要還是針對(duì)討論，主要還是針對(duì)循環(huán)載荷循環(huán)載荷(應(yīng)力應(yīng)力)而言的

5、。而言的。7循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù)：循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù)：(1)最大循環(huán)應(yīng)力最大循環(huán)應(yīng)力max和最小循環(huán)應(yīng)力和最小循環(huán)應(yīng)力min(2)應(yīng)力幅應(yīng)力幅a或應(yīng)力范圍或應(yīng)力范圍a=(maxmin)/2， =maxmin(3)平均應(yīng)力平均應(yīng)力m或應(yīng)力比或應(yīng)力比rm(max+min )/2，r=min/max(4)加載頻率加載頻率f，單位為，單位為Hz。(5)還有加載波形，如正弦波，三角波以及其它還有加載波形，如正弦波，三角波以及其它波形等。波形等。8圖圖5-1 5-1 循環(huán)應(yīng)力的特征循環(huán)應(yīng)力的特征(a)(a)r r= =1 (b)1 (b)r r=0 (c)=0 (c)r r= = (d)0(d)0r r1

6、(e)1 (e)r r0a，0r1，如圖，如圖5-1(d)。 脈動(dòng)壓縮循環(huán)脈動(dòng)壓縮循環(huán)(r)、大壓小拉循環(huán)大壓小拉循環(huán)(r105次次)，斷裂應(yīng)力水，斷裂應(yīng)力水平較低平較低(s)，也稱，也稱低應(yīng)力疲勞或應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞或應(yīng)力疲勞。 低周疲勞低周疲勞：斷裂壽命短斷裂壽命短(Ns) ，有塑性變形，有塑性變形，也稱，也稱高應(yīng)力高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞疲勞或應(yīng)變疲勞。115.2.3 疲勞斷口的宏觀特征疲勞斷口的宏觀特征 疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，是研究疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，是研究疲勞過程和失效原因的重要方法。疲勞過程和失效原因的重要方法。 典型疲勞斷口具有典型疲勞斷口具有疲勞源

7、疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和和瞬斷瞬斷區(qū)區(qū)等三個(gè)特征區(qū)。等三個(gè)特征區(qū)。n 疲勞源疲勞源：疲勞裂紋萌生的地方疲勞裂紋萌生的地方。 常處于機(jī)件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺常處于機(jī)件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷處，或機(jī)件截面尺寸不連續(xù)的區(qū)域陷處，或機(jī)件截面尺寸不連續(xù)的區(qū)域(有應(yīng)力集中有應(yīng)力集中)。 當(dāng)材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷當(dāng)材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷(夾雜、縮孔、偏析、夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)白點(diǎn))時(shí)，因局部強(qiáng)度的降低，也會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，因局部強(qiáng)度的降低，也會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源。疲勞源。 形貌特點(diǎn)形貌特點(diǎn)：光亮度大，擴(kuò)展速小，斷面不斷摩擦擠光亮度大，擴(kuò)展速小，斷面不斷摩擦

8、擠壓，且有加工硬化發(fā)生。壓，且有加工硬化發(fā)生。12n 疲勞擴(kuò)展區(qū)疲勞擴(kuò)展區(qū)：疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的區(qū)域。疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的區(qū)域。 特征特征：比較光滑并分布有貝紋線比較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣或海灘花樣)， 有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。 貝紋線貝紋線：平行弧線，間距不同；在裂紋源附近，平行弧線，間距不同；在裂紋源附近，線條細(xì)密、擴(kuò)展較慢；在遠(yuǎn)離裂紋處，線條稀疏、線條細(xì)密、擴(kuò)展較慢；在遠(yuǎn)離裂紋處，線條稀疏、擴(kuò)展較快擴(kuò)展較快。n 瞬時(shí)斷裂區(qū)瞬時(shí)斷裂區(qū)：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的。 特征特征：表面粗糙；脆性材料為結(jié)晶狀，塑性材表面粗糙；脆性材料為結(jié)晶狀，塑性材

9、料為纖維區(qū)。料為纖維區(qū)。13圖圖5-2 5-2 應(yīng)力集中和名義應(yīng)力的大小應(yīng)力集中和名義應(yīng)力的大小對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口的影響對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口的影響a疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占的占的面積面積相對(duì)說比較大相對(duì)說比較大，而且最終斷，而且最終斷裂區(qū)并不正好位于疲勞源的裂區(qū)并不正好位于疲勞源的對(duì)側(cè)，而是以逆旋轉(zhuǎn)方向偏對(duì)側(cè)，而是以逆旋轉(zhuǎn)方向偏離一個(gè)位置。離一個(gè)位置。b不僅不僅擴(kuò)展區(qū)減小擴(kuò)展區(qū)減小，而且最，而且最終終斷裂區(qū)斷裂區(qū)已不在軸的表面，已不在軸的表面，漸漸漸漸移向中心移向中心。c表面的表面的疲勞源有多處疲勞源有多處，裂，裂紋擴(kuò)展形成棘輪形，最終斷紋擴(kuò)展形成棘輪形，最終斷裂區(qū)位于軸的中心。裂區(qū)位于軸

10、的中心。d表面的疲勞源更多表面的疲勞源更多。 疲勞斷口有多種形式，其取決于疲勞斷口有多種形式，其取決于負(fù)荷類型負(fù)荷類型，即所受，即所受應(yīng)力為應(yīng)力為彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力還是還是拉拉-壓應(yīng)力壓應(yīng)力，同時(shí)與，同時(shí)與應(yīng)力的大小應(yīng)力的大小和和應(yīng)力集中程度應(yīng)力集中程度有關(guān)。有關(guān)。 14圖圖5-3 5-3 高周疲勞斷口宏觀形貌高周疲勞斷口宏觀形貌155.3 5.3 疲勞破壞的機(jī)理疲勞破壞的機(jī)理5.3.1 金屬材料疲勞破壞機(jī)理金屬材料疲勞破壞機(jī)理 疲勞裂紋的發(fā)展疲勞裂紋的發(fā)展=裂紋的形核裂紋的形核/萌生萌生+微微(短短)裂紋裂紋的擴(kuò)展的擴(kuò)展+長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展。長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展。 長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展，可用長(zhǎng)裂

11、紋的擴(kuò)展，可用Paris公式進(jìn)行計(jì)算，壽命相公式進(jìn)行計(jì)算，壽命相對(duì)較短。對(duì)較短。 裂紋的萌生裂紋的萌生+微微(短短)裂紋的擴(kuò)展，占疲勞壽命的很裂紋的擴(kuò)展，占疲勞壽命的很大份額。大份額。n 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長(zhǎng)大及連接而宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長(zhǎng)大及連接而形成的。形成的。 常將常將0.050.10mm的裂紋定義為的裂紋定義為疲勞裂紋核疲勞裂紋核，由此來確定疲勞裂紋的萌生期。由此來確定疲勞裂紋的萌生期。16 疲勞裂紋一般都萌生于零件的表面，可能有三疲勞裂紋一般都萌生于零件的表面，可能有三個(gè)位置：個(gè)位置： 對(duì)對(duì)純金屬或單相合金純金屬或單相合金，尤其

12、是單晶體，裂紋多，尤其是單晶體，裂紋多萌生在萌生在表面滑移帶表面滑移帶處，即所謂處，即所謂駐留滑移帶駐留滑移帶的地方。的地方。 當(dāng)經(jīng)受當(dāng)經(jīng)受較高的應(yīng)力較高的應(yīng)力/應(yīng)變幅應(yīng)變幅時(shí)，裂紋萌生在時(shí)，裂紋萌生在晶晶界處界處，特別是在高溫下更為常見。，特別是在高溫下更為常見。 對(duì)一般的工業(yè)合金，裂紋多萌生在對(duì)一般的工業(yè)合金，裂紋多萌生在夾雜物或第夾雜物或第二相與基體的界面上二相與基體的界面上。17 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋 金屬在循環(huán)應(yīng)力金屬在循環(huán)應(yīng)力(1)的長(zhǎng)期作用下，即的長(zhǎng)期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度使其應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度s，也會(huì)發(fā)生循環(huán)滑移并，也會(huì)發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶。形成循

13、環(huán)滑移帶。 靜載下靜載下：s，均勻滑移帶；，均勻滑移帶； 循環(huán)載荷下循環(huán)載荷下：1P 1。(原因原因見教材見教材P98)n 疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度間的關(guān)系疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度間的關(guān)系 試驗(yàn)表明，試驗(yàn)表明，材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞強(qiáng)度材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞強(qiáng)度也越大。也越大。44 對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，疲對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間大體勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系(圖圖5-16)，且可近似表示成且可近似表示成1=0.5b。 但抗拉強(qiáng)較高時(shí)，上述但抗拉強(qiáng)較高時(shí)，上述線性關(guān)系要改變，因?yàn)閺?qiáng)線性關(guān)系要改變，因?yàn)閺?qiáng)度較高時(shí)，材料塑性和斷度較高時(shí)，材料塑性和斷裂韌性降低，裂紋易于形裂韌性降

14、低，裂紋易于形成和擴(kuò)展。成和擴(kuò)展。圖圖5-16 5-16 鋼的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系鋼的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系455.4.3 過載持久值及過載損傷界過載持久值及過載損傷界 有兩種特殊情況，機(jī)件在高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力下工作有兩種特殊情況，機(jī)件在高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力下工作：第一種是短時(shí)的偶然過載；第二種是有些機(jī)件不要求無第一種是短時(shí)的偶然過載；第二種是有些機(jī)件不要求無限壽命。限壽命。n 過載持久值過載持久值 材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，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。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。

15、 不同過載應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的持久值連成的曲線為不同過載應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的持久值連成的曲線為過載持久過載持久值線值線，與給定持久值對(duì)應(yīng)的過載應(yīng)力為材料的與給定持久值對(duì)應(yīng)的過載應(yīng)力為材料的持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度。 過載持久值線就是過載持久值線就是SN曲線的傾斜部分，表征了材曲線的傾斜部分，表征了材料對(duì)過載荷的抗力；該線越陡直，持久值越高，材料對(duì)料對(duì)過載荷的抗力；該線越陡直，持久值越高，材料對(duì)過載荷的抗力越高。過載荷的抗力越高。46圖圖5-17 5-17 兩種具有不同抗過載能力材料的兩種具有不同抗過載能力材料的S-NS-N曲線曲線 曲線斜率大的材料曲線斜率大的材料1，在相同過載應(yīng)力下，其壽命較，在相同過載應(yīng)力下，其壽

16、命較材料材料2長(zhǎng)（長(zhǎng)（N1N2），因而其具有較大的抗過載能力。），因而其具有較大的抗過載能力。47n 過載損傷界過載損傷界 偶然短時(shí)過載是否影響材料正常工作下的疲勞偶然短時(shí)過載是否影響材料正常工作下的疲勞壽命壽命(即造成過載損傷即造成過載損傷)取決于取決于材料類型、過載應(yīng)材料類型、過載應(yīng)力大小及累積過載周次力大小及累積過載周次。 對(duì)于對(duì)于給定材料給定材料，在，在每一過載應(yīng)力每一過載應(yīng)力下，只有運(yùn)轉(zhuǎn)下，只有運(yùn)轉(zhuǎn)過一個(gè)稱為過一個(gè)稱為過載損傷界過載損傷界的循環(huán)周次，才會(huì)引起損的循環(huán)周次，才會(huì)引起損傷。傷。 過載損傷界由試驗(yàn)確定。過載損傷界由試驗(yàn)確定。48圖圖5-18 5-18 過載損傷界過載損傷界

17、把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最小循環(huán)周次連接起引起損傷的最小循環(huán)周次連接起來就得到材料的來就得到材料的過載損傷界過載損傷界。 過載損傷界與過載持久值線過載損傷界與過載持久值線所夾的陰影區(qū)稱為所夾的陰影區(qū)稱為過載損傷區(qū)過載損傷區(qū)。 過載應(yīng)力過載應(yīng)力周次組合落入過周次組合落入過載損傷區(qū)就會(huì)產(chǎn)生過載損傷，造載損傷區(qū)就會(huì)產(chǎn)生過載損傷，造成疲勞壽命成疲勞壽命(疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度)的降低。的降低。 材料的過載損傷界越陡直，材料的過載損傷界越陡直，損傷區(qū)越窄，其抵抗疲勞過載的損傷區(qū)越窄，其抵抗疲勞過載的能力越強(qiáng)。能力越強(qiáng)。 工程上在設(shè)計(jì)過載機(jī)件選材時(shí)，為求安全，有時(shí)寧工程上在設(shè)計(jì)

18、過載機(jī)件選材時(shí)，為求安全，有時(shí)寧可選疲勞強(qiáng)度低，而疲勞損傷區(qū)窄的材料?？蛇x疲勞強(qiáng)度低，而疲勞損傷區(qū)窄的材料。495.4.4 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度 由于實(shí)際零件不可避免地有應(yīng)力集中存在，所以必須考由于實(shí)際零件不可避免地有應(yīng)力集中存在，所以必須考慮缺口對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響。常用慮缺口對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響。常用疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度qf來表征材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性。來表征材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性。 Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，決定于缺口的幾何形狀與尺寸。為理論應(yīng)力集中系數(shù)，決定于缺口的幾何形狀與尺寸。 Kf為疲勞缺口系數(shù)為疲勞缺口系數(shù)(有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù))，

19、Kf=1/ 1N1 (1和和1N分別為光滑與缺口試樣的疲勞強(qiáng)分別為光滑與缺口試樣的疲勞強(qiáng)度度)，Kf的大小與缺口的尖銳度，以及材料的特性有關(guān)。的大小與缺口的尖銳度，以及材料的特性有關(guān)。 按定義，按定義，0qfKth時(shí)，時(shí)，da/dN 0，裂紋開始擴(kuò)展。，裂紋開始擴(kuò)展。 Kth是材料的一個(gè)重要參數(shù)，是材料的一個(gè)重要參數(shù)，可作為帶裂紋構(gòu)件可作為帶裂紋構(gòu)件無限壽命無限壽命(不發(fā)生疲勞斷裂不發(fā)生疲勞斷裂)設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)：th(5-4)KY aK= = 55 因而可推知構(gòu)件在因而可推知構(gòu)件在無限疲勞壽命時(shí)的承載能力無限疲勞壽命時(shí)的承載能力和和裂紋的允許尺寸裂紋的允許尺寸： 實(shí)際測(cè)定材料實(shí)際測(cè)定材料Kt

20、h很難做到很難做到da/dN0的情況，的情況，因此因此工程上常規(guī)定工程上常規(guī)定da/dN106107mm /cycle時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)對(duì)應(yīng)的K值為值為Kth，稱為，稱為工程工程(或條件或條件)疲勞門檻值疲勞門檻值。 大多金屬的大多金屬的Kth很小，約為很小，約為KIC的的510%。 I區(qū)接近于區(qū)接近于Kth，故又將，故又將I區(qū)稱為區(qū)稱為近門檻區(qū)近門檻區(qū)。 I區(qū)斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。區(qū)斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。th(5-5) KY a 2th21(5-6)KaY 56 II區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，是裂紋擴(kuò)展的主要階段，區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，是裂紋擴(kuò)展的主要階段，決定了疲勞壽命的主要部

21、分。決定了疲勞壽命的主要部分。 II區(qū)區(qū)logda/dNlogK呈線性關(guān)系，可用呈線性關(guān)系，可用Paris經(jīng)經(jīng)驗(yàn)方程驗(yàn)方程:來表示。式中來表示。式中da/dN為裂紋擴(kuò)展速率；為裂紋擴(kuò)展速率；C、n為與材料為與材料和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)。和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)。 試驗(yàn)表明，試驗(yàn)表明，n隨循環(huán)屈服強(qiáng)度隨循環(huán)屈服強(qiáng)度ys和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n 的增加而減小。的增加而減小。 注意：注意： Paris公式只適用于低應(yīng)力、低擴(kuò)展速率公式只適用于低應(yīng)力、低擴(kuò)展速率(da/dN104 cycle)的情況。的情況。 II區(qū)斷口：疲勞條紋。區(qū)斷口：疲勞條紋。d /dN =() (5-7)naCK57 III區(qū)

22、為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，區(qū)為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，da/dN值很高，并隨值很高，并隨著著K的增大而迅速升高。當(dāng)?shù)脑龃蠖杆偕摺．?dāng)KmaxK/(1r) =max(a)1/2 =KIC 時(shí)，試件或零件斷裂。時(shí)，試件或零件斷裂。 III區(qū)斷口區(qū)斷口: 靜載斷裂機(jī)制。靜載斷裂機(jī)制。58n 剩余疲勞壽命估算剩余疲勞壽命估算 從初始裂紋長(zhǎng)從初始裂紋長(zhǎng)a0擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)ac所需的循環(huán)周次為帶所需的循環(huán)周次為帶裂紋裂紋(或缺陷或缺陷)構(gòu)件的剩余疲勞壽命構(gòu)件的剩余疲勞壽命Nc。估算步驟如下：。估算步驟如下： 確定構(gòu)件的初始裂紋幾何，包括長(zhǎng)度確定構(gòu)件的初始裂紋幾何，包括長(zhǎng)度a0、形狀、位置、形狀、位置和取向。和取

23、向。 確定裂紋尖端確定裂紋尖端K值值( )，并與，并與Kth進(jìn)進(jìn)行比較，當(dāng)行比較，當(dāng)KKth時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展。時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展。 根據(jù)斷裂韌度根據(jù)斷裂韌度KC以及名義工作應(yīng)力幅以及名義工作應(yīng)力幅，確定臨界，確定臨界裂紋長(zhǎng)度裂紋長(zhǎng)度ac。 ( ) 因壓應(yīng)力使裂紋閉合，不擴(kuò)展。因壓應(yīng)力使裂紋閉合，不擴(kuò)展。因此在因此在r0時(shí)，時(shí)，=maxmin。 由疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式，從由疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式，從a0到到ac進(jìn)行積分，求出進(jìn)行積分，求出剩余疲勞壽命剩余疲勞壽命Nc。CmaxcCmaxc= =KYKYa a= = KYKY a a59 在在Paris公式有效的范圍內(nèi)，公式有效的范圍內(nèi)，若若取取 ，則

24、有：則有： 當(dāng)當(dāng)n2時(shí)，有時(shí)，有 當(dāng)當(dāng)n=2時(shí)，有時(shí)，有/2dd() d dnnnnaaC Y aNNCY a=KY a= =cc0c220ln=d= (5-9)NaaNNCYcc0nn1122c0=d= (5-8)12nnNaaNNnCY60例題：教材例題：教材P109第第11題。題。解：解：(1)計(jì)算計(jì)算KI 因?yàn)橐驗(yàn)?maxmin=200MPa，則，則/0.2 = 200 /6000.5，所以，所以不需要進(jìn)行塑性區(qū)修正不需要進(jìn)行塑性區(qū)修正。對(duì)有。對(duì)有限寬板單邊穿透裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子幅限寬板單邊穿透裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子幅KI (見教材見教材P85)： 當(dāng)當(dāng)a=0.1mm時(shí)，得時(shí)，得 當(dāng)當(dāng)

25、a=1mm時(shí)，得時(shí)，得 如果如果KKth，裂紋會(huì)擴(kuò)展。則繼續(xù)如下計(jì)算。，裂紋會(huì)擴(kuò)展。則繼續(xù)如下計(jì)算。(2)計(jì)算臨界裂紋長(zhǎng)度計(jì)算臨界裂紋長(zhǎng)度ac 根據(jù)根據(jù) 可推知可推知1.12KY aaK？cc1.12Kac a？K？61(3)估算剩余疲勞壽命估算剩余疲勞壽命Nc 在在Paris公式有效的范圍內(nèi)，若取公式有效的范圍內(nèi)，若取 ( )，則有：，則有：由于由于n = 3.0 2，則可得，則可得將已知數(shù)據(jù)代入上式，可得將已知數(shù)據(jù)代入上式，可得KY a= =1.12 Y = =/2dd() d dnnnnaaC Y aNNCY a=0ccc00c33nn111122112222c032=d= = = 3.

26、911.1212nnNaaaaaaNNnCCCYc= N？625.5 5.5 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5.5.1 影響因素影響因素n 工作條件工作條件 載荷條件載荷條件 應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比和平均應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比和平均應(yīng)力：(看上一節(jié)看上一節(jié))。 加載頻率加載頻率：通常提高頻率可提高材料的疲勞強(qiáng)度。：通常提高頻率可提高材料的疲勞強(qiáng)度。 次載鍛煉次載鍛煉：越接近疲勞強(qiáng)度，對(duì)提高疲勞壽命越越接近疲勞強(qiáng)度，對(duì)提高疲勞壽命越好。好。 過載損傷過載損傷：過載降低材料的疲勞強(qiáng)度或壽命。：過載降低材料的疲勞強(qiáng)度或壽命。 間歇效應(yīng)間歇效應(yīng)：可提高應(yīng)變時(shí)效材料的疲勞強(qiáng)度，并：可提

27、高應(yīng)變時(shí)效材料的疲勞強(qiáng)度，并延長(zhǎng)疲勞壽命。延長(zhǎng)疲勞壽命。63 溫度溫度 一般情況下，溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降，反之亦一般情況下，溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降，反之亦然。然。 腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì) 降低材料的疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致腐蝕疲勞。降低材料的疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致腐蝕疲勞。n 表面狀態(tài)及尺寸因素表面狀態(tài)及尺寸因素 表面狀態(tài)表面狀態(tài) 缺口缺口：因應(yīng)力集中會(huì)降低材料的疲勞強(qiáng)度。：因應(yīng)力集中會(huì)降低材料的疲勞強(qiáng)度。 表面粗糙度表面粗糙度：越粗糙，材料的疲勞強(qiáng)度越低：越粗糙，材料的疲勞強(qiáng)度越低 尺寸因素尺寸因素 在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)件尺寸增大使疲勞強(qiáng)度在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)件尺寸增大使疲勞強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為下降的現(xiàn)象，稱為尺

28、寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)。64n 表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化 因疲勞裂紋大都在表面產(chǎn)生，因此提高表面強(qiáng)因疲勞裂紋大都在表面產(chǎn)生，因此提高表面強(qiáng)度，可阻止裂紋在表面產(chǎn)生，提高疲勞抗力。度，可阻止裂紋在表面產(chǎn)生，提高疲勞抗力。 如噴丸、滾壓、表面熱處理或化學(xué)熱處理等。如噴丸、滾壓、表面熱處理或化學(xué)熱處理等。 n 材料成分與組織材料成分與組織 合金成分合金成分：強(qiáng)化材料，可提高材料的疲勞強(qiáng)度。：強(qiáng)化材料，可提高材料的疲勞強(qiáng)度。 夾雜物及缺陷夾雜物及缺陷：使疲勞強(qiáng)度降低。：使疲勞強(qiáng)度降低。 組織組織：強(qiáng)度和韌性應(yīng)綜合考慮。：強(qiáng)度和韌性應(yīng)綜合考慮。655.5.2 改善措施改善措施n 首先判別是高周疲勞壽命還是低周疲勞壽命，

29、裂紋首先判別是高周疲勞壽命還是低周疲勞壽命，裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展在整個(gè)疲勞壽命中誰占主導(dǎo)地位。萌生、裂紋擴(kuò)展在整個(gè)疲勞壽命中誰占主導(dǎo)地位。n 對(duì)對(duì)高周疲勞高周疲勞，通常采用以下方法，通常采用以下方法: 提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度：合金化、熱處理、變形、細(xì)化晶粒等。 減少材料表面可能的疲勞裂紋源減少材料表面可能的疲勞裂紋源：改善表面光潔度、改善表面應(yīng)力集中、表面處理(壓應(yīng)力)。 減少夾雜物含量減少夾雜物含量n 對(duì)對(duì)低周疲勞低周疲勞來說，可采取來說，可采取: 減少夾雜物或改善夾雜物的分布，阻止裂紋的萌生。減少夾雜物或改善夾雜物的分布，阻止裂紋的萌生。 提高材料的塑性。提高材料的塑性。665.6 5.6 熱疲勞

30、熱疲勞 當(dāng)材料受溫度循環(huán)變化時(shí)，因其自由膨脹和收縮當(dāng)材料受溫度循環(huán)變化時(shí)，因其自由膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致龜受到約束而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致龜裂而破壞的現(xiàn)象稱為熱疲勞。裂而破壞的現(xiàn)象稱為熱疲勞。熱疲勞熱疲勞，是熱應(yīng)力或，是熱應(yīng)力或熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下引起的疲勞。熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下引起的疲勞。 如鍋爐、蒸汽、燃汽輪機(jī)部件和熱作模具等的失如鍋爐、蒸汽、燃汽輪機(jī)部件和熱作模具等的失效等。效等。產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生的條件： 溫度變化溫度變化：材料的膨脹或收縮。：材料的膨脹或收縮。 機(jī)械約束機(jī)械約束：內(nèi)部或外部的約束。：內(nèi)部或外部的約束。 線膨脹系數(shù)不同線膨脹系數(shù)不同67圖圖5-23 5-23 兩端固定限制變形的桿兩端固定限制變形的桿 對(duì)長(zhǎng)度為對(duì)長(zhǎng)度為l的桿，兩端固定，溫的桿，兩端固定，溫度由零上升到度由零上升到T。若假設(shè)桿為兩端。若假設(shè)桿為兩端自由的，線膨脹系數(shù)為自由的，線膨脹系數(shù)為，則桿的，則桿的伸長(zhǎng)為伸長(zhǎng)為:l=Tl 由于桿的