工程材料力學性能

工程材料力學性能第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能2第一節(jié)變動載荷（應力）和疲勞破壞的特征一、變動載荷及其描述二、疲勞破壞特征和斷口分析第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能31、變動載荷變動載荷（應力）是指載荷大小或大小和方向隨時間按一定規(guī)律呈周期性變化或呈無規(guī)則隨機變化的載荷。前者稱為周期變動載荷（應力）或循環(huán)載荷（應力），后者稱為隨機變動載荷。變動載荷及其描述第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能42、描述參量循環(huán)中最大應力循環(huán)中最小應力平均應力應力半幅應力比應力變程第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能5疲勞破壞特征和斷口分析一種“潛藏”的失效方式，無明顯塑性變形，斷裂常常是突發(fā)性的，沒有預兆表面缺陷存在時，局部應力集中而形成裂紋，裂紋不斷擴展，斷裂疲勞與時間有關的一種失效方式，具有多階段性，是一個累積損傷的過程第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日6第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能7第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能8第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日9深圳華僑城太空迷航事故第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能10第二節(jié)S-N曲線和疲勞極限一、疲勞分類二、S-N曲線和疲勞極限第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能11疲勞分類熱疲勞（低周疲勞、低頻疲勞）機械疲勞疲勞腐蝕疲勞環(huán)境作用下的疲勞高溫疲勞微振疲勞

第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能12按應力和應變大小分應變疲勞（高應力）--低周疲勞（低循環(huán)疲勞）應力疲勞（低應力）--高周疲勞（高循環(huán)疲勞）按頻率高低分低頻疲勞和高頻疲勞按載荷類型分彎曲疲勞—單向、雙向扭轉疲勞—單向、雙向拉—拉疲勞或拉—壓疲勞接觸疲勞復合載荷下的疲勞第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日13某壓縮機轉子失效分析壓縮機透平自2003年10月到2006年3月一直運行良好，2006年3月調速側軸承溫度升高，更換透平備用轉子（序列號：2LRHWZ），在那之后一直運行正常，2007年3月18日凌晨3時52分在穩(wěn)定的工作轉速12378rpm下，前后徑向軸承振動值突然異常飆升，最大的振動VT-2505振值由11μm突增致78μm，透平排汽端發(fā)出較強的異常響聲，且透平排汽端、管道及樓臺支撐橫梁振動較強，排汽端溫度探頭連線被震斷。最后，振動一直不斷上升，4月17日超過100um，所以透平停車，打開透平缸體，發(fā)現透平轉子第5級葉輪上一個葉片斷裂靠近自由端的止推軸承巴氏合金層從瓦塊上脫落。

第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日14第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日15第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能16S－N曲線及疲勞極限SNσR中低強度鋼第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能17S－N曲線及疲勞極限SNσR（N）高強鋼、不銹鋼、鈦合金和鋁合金第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能18

S-N曲線傾斜部分反映過載持久值，它表示當應力超過疲勞極限時，金屬材料對過載的抗力大小NSN第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能19缺口試樣疲勞極限要低于光滑試樣疲勞極限。SN缺口試樣光滑試樣第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日Instron疲勞試驗機疲勞試驗失效分析預測預防研究所Amsler疲勞試驗機USF2000超聲疲勞試驗機疲勞試驗應力/MPa頻率/Hz應力比設計總壽命/次1低周疲勞10005-19,9832高周疲勞71020-1142,0143高頻疲勞710120-135,5004超聲疲勞50020,000-18.48×107第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能21典型S-N曲線是由有限壽命和長壽命兩部分組成。疲勞極限一般采用升降法測量。疲勞壽命一般采用成組試驗法測量。第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能22第三節(jié)循環(huán)應力特性對疲勞強度的影響循環(huán)應力特性主要包括：平均應力或應力比和加載方式。一、平均應力和疲勞圖二、應力狀態(tài)的影響第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能23非零平均應力下的S-N曲線

在許多實際工況下，零件承受著非對稱循環(huán)應力，在這種情況下要預測壽命，就有必要研究非對稱循環(huán)應力下材料的疲勞特性。第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能24第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能25第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能26平均應力、應力半幅以及材料常規(guī)性能之間建立關系：第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能27極限循環(huán)振幅圖第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能28極限循環(huán)應力圖第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能29第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能30應力狀態(tài)的影響應力狀態(tài)不同，疲勞應力—壽命曲線不同，相應的疲勞極限也不會相同。

σ-1P

=0.85σ-1(鋼）

σ-1P

=0.68σ-1(鑄鐵）

τ-1P

=0.55σ-1(銅及輕合金）

τ-1P

=0.80σ-1(鑄鐵）第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能31第四節(jié)理論應力集中系數和

疲勞應力集中系數理論應力集中系數Kt=σmax

/σN疲勞應力集中系數Kf=σ-1

/σ-1N缺口敏感因子q=(Kf-1)/(Kt-1)第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能32第五節(jié)應力變動和累積損傷許多結構的真實使用條件多是在一定范圍內變動的載荷。如果能用恒幅試驗的數據來預測承受變化載荷構件的疲勞壽命是很有實際意義的。基本思想：隨著循環(huán)周次的增加，材料內部發(fā)生損傷，即每一循環(huán)都產生疲勞損傷，當損傷累積到某一數值時，材料因有壽命或塑性耗盡，便導致材料的破壞。第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能33最簡單、最早提出來的是線性累積規(guī)律1、在某一應力水平下每一循環(huán)周次對材料內部造成的損傷是相同的。2、材料在S1作用下n1周次，總壽命為Nf1，則損傷率n1/Nf1。不同應力下的累積為：時就會失效。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能34優(yōu)點：簡單缺點：沒有考慮各個不同應力水平先后次序的影響。若S1>S2，則若S1<S2，則第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能35第六節(jié)低周疲勞早期工程結構的疲勞設計主要是以疲勞極限為依據，而且服役的實際應力水平還遠小于疲勞極限，這意味著構件要有無限壽命。航空航天中這種設計思想就不能滿足要求，要求有限壽命設計，因為要求結構緊湊、重量輕、允許較大的承載能力。第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能36航空航天中這種設計思想就不能滿足要求，要求有限壽命設計，因為要求結構緊湊、重量輕、允許較大的承載能力。SN第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能37構件設計名義應力本身一般不會達到材料的屈服應力，但構件上存在的缺口或類似幾何形貌的部位可由應力集中而使局部接近、甚至進入了彈塑性狀態(tài)。這種較小的局部塑性變形區(qū)通常又被彈性區(qū)所約束，所以構件的關鍵部位都已進入彈塑性狀態(tài)，且處于控制應變的疲勞過程中。

第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能38低周疲勞過程中，材料進入了循環(huán)的彈塑性狀態(tài)，所以所涉及的疲勞特性要比高周疲勞所涉及的特性復雜一些。如要涉及滯后回路、材料循環(huán)應力－－應變和應變－－壽命響應以及與缺口有關的疲勞壽命評估等問題。第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能391、滯后回線

低周疲勞試驗用一組試樣以不同的總應變幅控制應變進行，對于對稱循環(huán)而言，Δε/2接近于材料的屈服應變到1%附近的范圍內變化，所以一個完全循環(huán)加載下應力－－應變曲線必然為一滯后回線。第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能40第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能41滯后環(huán)內面積代表材料所受的塑性變形功，其中一部分以冷加工形式儲存在材料中，另一部分以熱的形式向周圍環(huán)境散逸。

Δεe=Δσ/EΔεp=Δε-Δσ/EΔεp→0,滯后回線收縮為一條直線。第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能422、循環(huán)硬化和循環(huán)軟化

加載時材料對循環(huán)加載的響應有一個過渡過程，這一過程可用應力控制下的應變－－時間或應變控制下的應力－－時間函數表示。經過幾十到幾百周次循環(huán)才趨于穩(wěn)定。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能43第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能44第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能45第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能463、循環(huán)應力－－應變曲線循環(huán)應力－－應變曲線可用類似靜拉伸流變曲線的Hollomon關系描寫：K’循環(huán)應變的強度系數，n’為循環(huán)加載下的形變硬化指數，n’=0.1~0.2第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能47第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能48第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能494、應變－－壽命曲線該曲線也是材料低周疲勞的重要特性。

Δεe/2~2Nf之間關系：

Δεp/2~2Nf之間關系（Manson-Coffin）

第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能50此式既反映長壽命的彈性應變－－壽命關系，又反映短壽命的塑性應變－－壽命關系。第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能51第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能52第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能53如果考慮非對稱疲勞條件，Manson-Coffin方程需要修正。引用σm對疲勞壽命的Goodman關系。第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能545、缺口零件疲勞壽命預測由Manson-Coffin關系，對光滑試樣有：即無論塑性應變幅怎樣影響疲勞失效的壽命，最終失效所累積的塑性變形量總是一個定值。

第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能55常用的方法：斷裂力學方法；局部等量應力幅法；局部應變法。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能56當光滑試樣和缺口零件的缺口根部經受相同的循環(huán)應變歷程時，則形成同一損傷所需的加載循環(huán)周次應該相同，這種包含累積損傷在內的有限壽命預測方法通常稱為局部應變法。利用局部應變法預測缺口零件疲勞壽命的關鍵在于求出零件缺口根部的局部應變范圍Δε。Δε已進入彈塑性區(qū)，求解復雜。第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能57Neuber規(guī)則：真實應力集中系數：真實應變集中系數：第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能58若Δσn、Δεn處于彈性狀態(tài)，則改寫為第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能59第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能606、熱疲勞低周疲勞中，由熱應力或熱應力和機械應力共同作用的一類疲勞。鍋爐、蒸汽和燃氣發(fā)動機、模具都會出現熱疲勞。第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能61熱疲勞中

Δε=αΔT，其中α為膨脹系數。

因此，塑性好的材料熱疲勞壽命長。第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能62第七節(jié)疲勞裂紋擴展裂紋穩(wěn)態(tài)擴展到臨界尺寸就會發(fā)生失穩(wěn)斷裂。小尺寸的裂紋不容易被檢出。因此，需要討論工程材料疲勞裂紋擴展過程的規(guī)律和影響因素。第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能63一、應力、裂紋長度與

疲勞裂紋擴展的關系第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能64裂紋擴展的每一微小過程看成是裂紋體小區(qū)域的斷裂過程，則應力強度因子幅度是疲勞裂紋擴展的控制因子。因此，Paris等人提出了經驗方程：

第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能65第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能66二、平均應力的影響壓縮載荷對恒幅應力下的疲勞裂紋擴展的影響很小。因此主要研究平均拉應力對疲勞裂紋擴展速率的影響。

第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能67第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能68

描寫Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)平均應力影響的常用方程為Forman方程為：此式實際是對Paris公式的修正。反映R對門檻值影響的經驗方程是：

第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能69三、組織對疲勞裂紋擴展速率的影響隨晶粒尺寸增大，門檻值增大；隨屈服強度下降門檻值上升，因此，降低屈服強度和增大晶粒尺寸，對裂紋不擴展有利。高強度和細晶粒對阻止疲勞裂紋萌生和微裂紋擴展有利。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能70四、擴展壽命的估算先用無損檢測方法檢出裂紋a0形狀、位置和取向→確定KIC→計算ac→計算a0擴展到ac所需周次。第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能71

當m≠2時，當m=2時，

第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能72第八節(jié)疲勞裂紋的萌生和擴展機理

第七十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能73一、疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋起源于應變集中的局部顯微區(qū)域。盡管塑性應變主要方式是滑移，但循環(huán)塑性應變的滑移局限于某些晶粒內，而且滑移帶細。這種滑移首先在試樣表面形成，然后向內部擴展，形成“駐留滑移帶”?！榜v留滑移帶”形成后在表面形成“擠出帶”和“侵入溝”，后者將發(fā)展成為疲勞裂紋核心。疲勞裂紋形核與交滑移的難易程度有關。疲勞裂紋形核與某些損傷所造成的高度應力集中有關。第七十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能74第七十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2023/3/15工程材料力學性能75二、疲勞裂紋擴展方式和機理擴展分為兩個階段：第一擴展階段約2~3個晶粒尺寸，屬于微裂紋擴展，在較大應力水平下，萌生的微裂紋可能很多，并