材料力學(xué)性能-第五章詳解課件

1、材料的力學(xué)性能材料與化工學(xué)院第五章 金屬的疲勞1850-1860，Whler先生用試驗(yàn)方法研究了車軸的斷裂事故，提出了應(yīng)力-壽命圖（S-N)和疲勞極限概念。1870-1890，Gerber研究了平均應(yīng)力對(duì)壽命的影響，Goodman提出了完整的平均應(yīng)力影響理論。1920，Griffith用能量法研究了含裂紋體的有關(guān)材料強(qiáng)度理論，初步奠定了事隔20年后由Irwin發(fā)展起來(lái)的斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)。1945年，由Miner提出的線性累計(jì)損傷理論問(wèn)世。1960年，Manson-Coffin提出了塑性應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系。1961年，Paris提出了疲勞裂紋擴(kuò)展速率的概念。1974年美國(guó)軍方采用了損傷容損設(shè)計(jì)

2、方法。目前，材料的疲勞研究方興未艾，斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和材料物理學(xué)結(jié)合，已從宏觀、細(xì)觀和微觀領(lǐng)域?qū)ζ趩?wèn)題進(jìn)行著廣泛的研究。前言材料的疲勞問(wèn)題研究從近150多年開(kāi)始一直受到人們的關(guān)注，原因之一就是工程中的零件或構(gòu)件的破壞80%以上是由于疲勞引起。前言疲勞破壞表現(xiàn)的形式：機(jī)械疲勞外加應(yīng)力/應(yīng)變波動(dòng)造成的。蠕變疲勞循環(huán)載荷與高溫聯(lián)合作用下的疲勞。熱機(jī)械疲勞循環(huán)受載部件的溫度變動(dòng)時(shí)材料的疲勞。腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)疲勞、電致疲勞等等。前言1、變動(dòng)載荷 疲勞斷裂。前言2、研究疲勞的一般規(guī)律、 疲勞破壞過(guò)程及機(jī)理、 疲勞力學(xué)性能及其影響因素等。第五章 材料的疲勞性能5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.2 疲

3、勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值5.4 疲勞過(guò)程及機(jī)理（簡(jiǎn)述）5.5 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素(自學(xué))5.6 低周疲勞(自學(xué))5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)三、疲勞宏觀斷口特征一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力1、疲勞： 變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用 累積損傷斷裂。2、變動(dòng)載荷： 載荷大小，甚至方向隨時(shí)間而變化的載荷。3、變動(dòng)應(yīng)力： 變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值。4、變動(dòng)應(yīng)力分類： 規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)； 無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。5、循環(huán)應(yīng)力： 周期性變化的應(yīng)力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常見(jiàn)的為正弦波。一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力6、表征

4、應(yīng)力循環(huán)特征的參量 最大循環(huán)應(yīng)力max， 最小循環(huán)應(yīng)力min； 平均應(yīng)力 m(max+min)/2； 應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍： =/2= (max-min)/2； 應(yīng)力比 rmin/max。 載荷譜： 載荷-時(shí)間歷程曲線一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力7、循環(huán)應(yīng)力類型（按應(yīng)力比和平均應(yīng)力）： (1)對(duì)稱循環(huán)： m0，r-1。 (2)不對(duì)稱循環(huán)： m0，-1r0，r0 或 m，0r1。 (5)隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力： 循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化。二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)1、疲勞破壞的概念： (1)疲勞的破壞過(guò)程： 變動(dòng)應(yīng)力薄弱區(qū)域的組織 逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂 裂紋擴(kuò)展突然斷裂。 (2)疲勞破壞： 循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂， 其斷

5、裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度。 (3)疲勞壽命： 機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間。 (4)疲勞斷裂：經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。 斷口上顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)2疲勞破壞的特點(diǎn)： (1)一種潛藏的突發(fā)性破壞，呈脆性斷裂。 (2)疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂。 (3)對(duì)缺陷具有高度的選擇性。 (4)可按不同方法對(duì)疲勞形式分類。 按應(yīng)力狀態(tài)分， 有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞。 按應(yīng)力高低和斷裂壽命分， 有高周疲勞(低應(yīng)力疲勞，s) 和低周疲勞(高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞)。三、疲勞宏觀斷口特征1、典型疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)

6、疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。2、疲勞源： (1)多出現(xiàn)在機(jī)件表面， 常和缺口、裂紋等缺陷及內(nèi)部冶金缺陷(夾雜、白點(diǎn)等)有關(guān)。 (2)疲勞源區(qū)比較光亮，該區(qū)表面硬度有所提高。 (3)疲勞源可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。三、疲勞宏觀斷口特征3、疲勞區(qū)： (1)斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)， 有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。 (2)斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)， 其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱； (3)貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征， 一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的。 每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線， 凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。三、疲勞宏觀斷口特征4、瞬斷區(qū)： (1)KKc時(shí)，裂紋就失穩(wěn)快

7、速擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂 斷口粗糙，脆性斷口呈結(jié)晶狀； 韌性斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀， 邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。 (2)瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)。5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限二、疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限三、抗疲勞過(guò)載能力四、疲勞缺口敏感度一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限1850-1860，維勒（Whler）先生用試驗(yàn)方法研究了車軸的斷裂事故，提出了疲勞曲線【應(yīng)力-壽命圖（S-N)】和疲勞極限概念。車軸工作狀態(tài)是旋轉(zhuǎn)彎曲，因此屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞。【按應(yīng)力狀態(tài)分， 有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞。】一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲

8、勞極限1、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)：(1)四點(diǎn)彎曲， 對(duì)稱循環(huán) (m0，r-1)。(2)測(cè)定方法： 試樣（若干-1,2,3, n ） 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)； 選擇最大循環(huán)應(yīng)力max (0.67b0.4b) （1，2，3 n ）； 對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn),直至斷裂； 測(cè)定應(yīng)力循環(huán)數(shù)N (N1,N2,N3Nn)； 得到 (1,N1),(2,N2) 繪制(max)-N(lg N)曲線。一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限2、疲勞S-N曲線 其他不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力,也可作出相應(yīng)的疲勞曲線， 它們統(tǒng)稱為S-N曲線，一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限3、金屬材料疲勞曲線類型： 一類有水平線（典型）r； (材料的疲勞強(qiáng)度或極限

9、) 疲勞應(yīng)力判據(jù)： r 一類無(wú)水平線條件疲勞強(qiáng)度或極限。一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限（二）疲勞曲線的測(cè)定 升降法和成組法。一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限（三）不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限 (1)同種材料不同應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力壽命曲線不同 疲勞極限也不相同。 (2)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： 鋼：-1p = 0.85-1 鑄鐵：-1p = 0.65-1 銅及輕合金：-1 = 0.55-1 鑄鐵：-1 = 0.80-1 (3)同種材料： -1-1p-1。一、疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限（四）疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度間關(guān)系： 材料的抗拉強(qiáng)度愈大,其疲勞強(qiáng)度也愈大。二、疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 最大

10、循環(huán)應(yīng)力max， 最小循環(huán)應(yīng)力min； 平均應(yīng)力 m(max+min)/2； 應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍： = (max-min)/2； 應(yīng)力比 rmin/max以及疲勞極限r(nóng) max=r=m+1. -m疲勞圖 max= r=m +在不同應(yīng)力比r條件下， 將max表示的疲勞極限r(nóng) 分解為和m，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，則得到-m疲勞圖。OB: r與r的幾何關(guān)系：所以只要知道應(yīng)力比r，代入上式就可求出 ， 在圖上作角度的直線，與AC交于點(diǎn)B，即可求出相應(yīng)r的疲勞極限 1. -m疲勞圖2、max(min)- m疲勞圖(1)脆性材料max(min)- m疲勞圖:AHB曲線就是在不同應(yīng)力比r下的max值； A

11、EC在不同應(yīng)力比r下的min值； AO在不同應(yīng)力比r下的m值。AHB曲線上各點(diǎn)max值 即表示由-1r-1)有限壽命服役； 偶然過(guò)載。1、過(guò)載持久值(長(zhǎng)久過(guò)載、有限疲勞壽命)： (1)材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力(-1)下工作， 發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。 (2)由疲勞曲線傾斜部分確定。 (3)材料耐久強(qiáng)度： 即過(guò)載應(yīng)力。三、過(guò)載持久值及過(guò)載損傷界2、過(guò)載損傷界（偶然過(guò)載） (1)過(guò)載損傷界: 短期過(guò)載對(duì)材料性能的影響，取決于過(guò)載應(yīng)力及過(guò)載周次。 實(shí)驗(yàn)證明，材料在過(guò)載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后， 疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過(guò)載損傷。 把在每個(gè)過(guò)載應(yīng)力下,運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次,

12、 連接起來(lái),就得到該材料的過(guò)載損傷界 (2)過(guò)載損傷區(qū)： 過(guò)載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)。 (3)材料的過(guò)載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄， 則其抵抗疲勞過(guò)載能力就愈強(qiáng)。四、疲勞缺口敏感度qf qf=(Kf-1)/(Kt-1) Kt理論應(yīng)力集中系數(shù)； Kf為疲勞缺口系數(shù)；Kf =-1/-1N； 0qf1; qf隨材料強(qiáng)度增高而增大。同時(shí)，缺口形狀對(duì)qf有一定影響。（1）Kf=Kt，即缺口試樣疲勞過(guò)程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時(shí)缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重，疲勞缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。（2）Kf=1，-1=-1N，缺口不降低疲勞極限，說(shuō)明疲勞過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大

13、的重分布，應(yīng)力集中效應(yīng)完全被消除， qf=0，材料的缺口敏感性最小。所以qf值能反映在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。高周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口十分敏感；低周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口不太敏感，這是因?yàn)楹笳呷笨诟繀^(qū)域已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致。根據(jù)疲勞缺口敏感度評(píng)定材料時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩種極端情況：四、疲勞缺口敏感度qf二、疲勞強(qiáng)度定義： 在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。1、對(duì)稱循環(huán)(r=-1)疲勞強(qiáng)度 彎曲(-1)、扭轉(zhuǎn)(-1)、拉壓(-1p)等。5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值 疲勞過(guò)程是由裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展所組成

14、的。 亞穩(wěn)擴(kuò)展最為重要。5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線 (3)預(yù)制疲勞裂紋（裂紋長(zhǎng)度a0）； (4)循環(huán)加載（固定r及）； (5)記錄裂紋長(zhǎng)度a隨N循環(huán)增長(zhǎng)情況； (6)一定的N對(duì)應(yīng)一定的a，直到斷裂； (7)疲勞裂紋擴(kuò)展（N-a）曲線; (8)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN。 (1)試樣（SENB3或CCT或CT）； (2)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)(疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量裝置) ；一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率3、疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線da/dN-K（lgda/dN-lgK） 將a-N曲線上各點(diǎn)的dadN 值用圖

15、解微分法或遞增多項(xiàng)式計(jì)算法計(jì)算出來(lái); 利用應(yīng)力強(qiáng)度因子幅(K)公式將相應(yīng)各點(diǎn)的K值求出， 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上描點(diǎn)連接即得 lgda/dN-lgK曲線。1、疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN） 與應(yīng)力及裂紋尺寸有關(guān)。2、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅(K)： 二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率4、lg(da/dN)-lgK曲線： I區(qū)是疲勞裂紋的初始擴(kuò)展階段: da/dN = 10-810-6 mm/周次； 區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段: da/dN = 10-510-2 mm/周次; Paris公式：da/dN = C(K)n 區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段。5、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(Kth)： 代表疲勞裂紋不擴(kuò)展的K臨界值。 da/dN

16、=06、裂紋件不疲勞斷裂（無(wú)限壽命）的校核公式：二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率7、工程（條件）疲勞門檻值(Kth) ： 平面應(yīng)變， da/dN=10-610-7mm/周次所對(duì)應(yīng)的K為Kth 。二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率8、Paris公式： da/dN = C(K)n三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算定性說(shuō)明： 也稱疲勞剩余壽命： 初始裂紋長(zhǎng)a0擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)ac所需的循環(huán)周次N。 無(wú)損探傷確定a0、形狀、位置、取向 確定K； 已知KC及 確定ac； 根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式， 計(jì)算從a0到ac所需的循環(huán)周次N。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式 常選用Paris公式da/dN = C(K)n三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算二、疲勞裂

17、紋擴(kuò)展速率1、疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN): 疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段的速率。 針對(duì)疲勞過(guò)程的第階段。 (3)固定r及； (4)一定的N對(duì)應(yīng)一定的a，直到斷裂； （N，a） (5) N-a曲線2、裂紋長(zhǎng)度a和循環(huán)周次N的關(guān)系曲線： (1)試樣（TPB或CCT或CT）； (2)疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量裝置；5.4 疲勞過(guò)程及機(jī)理一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理（自學(xué)）一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理分為三個(gè)主要階段：1、疲勞裂紋形成，2、疲勞裂紋擴(kuò)展，3、當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生最終的斷裂。1、疲勞微裂紋的形成疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起。 表面滑移帶開(kāi)裂；第二相、夾雜物與基體相界

18、面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開(kāi)裂。 在環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成滑移帶, 稱為循環(huán)滑移帶。 拉伸時(shí)形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會(huì)出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。循環(huán)滑移帶的持久性：疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數(shù)的增加，滑移帶增加。除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。這種滑移帶稱為持久滑移帶(Persist Slip Band)。在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。形成的微裂紋在循環(huán)加載時(shí)將繼續(xù)長(zhǎng)大。當(dāng)微裂紋頂端接近晶界時(shí)，其長(zhǎng)大速率減小甚至停止長(zhǎng)大。這必然是因?yàn)橄噜従Я?nèi)滑移系的取向不同。微裂紋只有穿過(guò)晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，