材料力学性能第五章-金属的疲劳

.,第五章金属的疲劳,江苏科技大学材料科学与工程学院,.,人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？,金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环次数后，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。,Fatigue,.,金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet）于1839年提出来的。1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。,.,金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受扭转疲劳等。据150多年来的统计，金属部件中有80以上的断裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。,.,1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。,一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则接二连三地撞在坍塌的桥体上。,.,2007年11月2日，一架美军F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件桁梁出现了金属疲劳问题。,.,.,8,1、金属疲劳现象及特点2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值4、疲劳过程及机理5、影响疲劳强度的主要因素6、低周疲劳,本章主要内容,.,9,变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力。,5.1.1变动载荷和循环应力,5.1金属疲劳现象及特点,.,10,图变动应力示意图a)应力大小变化b)、c)应力大小及方向都变化d)应力大小及方向无规则的变化,变动应力,.,11,循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：最大循环应力max，最小循环应力min平均应力:m=(max+min)/2应力幅或应力范围:a=(max-min)/2应力比:r=min/max,循环应力及其特征参量,.,12,图循环应力的类型a)、e)交变应力b)、c)、d)重复循环应力,对称交变应力m=0,r=-1,脉动应力m=a0,r=0m=aa,0r1,不对称交变应力-11.4，循环硬化；b/s0.1时，材料表现为循环硬化或循环稳定。,.,176,5.6低周疲劳,5.6.1低周疲劳低周疲劳的金属循环硬化与循环软化循环硬化和循环软化现象与位错循环运动有关。在一些退火软金属中，在恒应变幅的循环载荷下，由于位错往复运动和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化。在冷加工后的金属中，充满位错缠结和障碍，这些障碍在循环加载中被破坏；或在一些沉淀强化不稳定的合金中。由于沉淀结构在循环加载中校破坏均可导致循环软化。,.,177,应力应变滞后回线只有在应力循环周次达到一定值后才是闭合的，达到循环稳定状态。对每一个闭定的应变范围，都能得到相应的稳定滞后回线。将不同应变范围的稳定滞后回线的顶点连接起来，便得到一条的循环应力应变曲线。,图40CrNiMo钢的循环应力应变曲线,循环应力-应变曲线,.,178,曼森（S.S.Manson）和柯芬（L.F.Coffin）等分析了低周疲劳的实验结果和规律，提出了低周疲劳寿命公式：,曼森柯芬公式：,低周疲劳的应变-寿命曲线,.,179,5.6低周疲劳,5.6.1低周疲劳低周疲劳的应变寿命曲线,图应变幅疲劳寿命曲线1p/2-2Nf曲线2e/2-2Nf曲线3t/2-2Nf曲线,过渡寿命,在交点左侧、即低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；在交点右侧，即高周疲劳范围内，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。,.,180,5.6低周疲劳,5.6.1低周疲劳过渡寿命过渡寿命也是材料的疲劳性能指标，在设汁与选材方面具有重要意义，其值与材料性能有关。高强度材料过渡寿命可能少至10次；低强度材料则可能超过105次。一般，提高材料强度，过渡寿命减小；提高材料塑性和韧性，过渡寿命增大。,.,181,5.6低周疲劳,5.6.1低周疲劳总应变幅与疲劳断裂寿命的关系曼森通过对29种金属材料的试验研究发现，总应变幅与疲劳断裂寿命之间存在下列关系：,上式可求得材料光滑试样完全对称循环下的低周疲劳寿命曲线。这种预测低周疲劳寿命的方法，称为通用斜率法。,.,182,5.6低周疲劳,5.6.2热疲劳有些机件在服役过程中温度要发生反复变化，如热锻模、热轧辊及涡轮机叶片等。机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。若温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳，则为热机械疲劳。产生热应力必须有两个条件：温度变化机械约束,.,183,5.6低周疲劳,5.6.2热疲劳热疲劳和热机械疲劳热疲劳和热机械疲劳破坏也是塑性应变累积损伤的结果，基本上服从低周应变疲劳规律。例如，柯芬研究一些材料的热疲劳行为时发现塑性应变范围和寿命之间也存在下列关系：,温度循环平均温度下材料的静拉伸真实断裂应变,同一温度下的断面收缩率,.,184,5.6低周疲劳,5.6.2热疲劳热疲劳和热机械疲劳裂纹是沿表面热废变最大的区域形成。一般有几个裂纹源，在热循环过程中，有些裂纹发展形成主裂纹。裂纹扩展方向垂直于表面，并向纵探扩展而导致断裂。金属材料抗热疲劳性能、不但与材料的热传导、热比容等热力学性质有关，而且还与弹性模量、屈服强度等力学性能，以及密度、几何因素等有关。,.,185,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳冲击疲劳是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。当破坏前承受的冲击次数较少时（5001000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数N105次时，破坏后具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。,.,186,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳曲线冲击疲劳曲线与一般疲劳曲线相似，可由冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。材料的冲击疲劳抗力除可用冲击疲劳极限表示外，也可用一定冲击能量下的冲断周次或用要求的冲断次数时的冲断能量表示。直接用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简便易行，故应用较广。,.,187,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳曲线,图多次冲击曲线,冲击吸收功减少，冲断次数增加,.,188,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳抗力金属的冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合力学性能，它有如下一些特点：1、在冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，冲击疲劳抗力则主要取决于强度。,.,189,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳抗力2、淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度不同不是单调变化的，与常规单一力学性能指标之间也不存在对应关系，而是在某温度下有一个峰值，该峰值随冲击能量增加向高温方向移动。,图40钢冲击疲劳强度、常规力学性能与回火温度的关系,.,190,5.6低周疲劳,5.6.3冲击疲劳冲击疲劳抗力3、冲击韧度的影响，因材料强度不同而异。高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲击疲劳抗力有较大作用；中、低强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲击疲劳抗力作用不大。这是因为强度水平高、冲击韧度比较低，适当提高一些韧性对提高冲击疲劳抗力的影响比较突出；而中、低强度钢的冲击韧度已经比较高，再增加值对提高冲击疲劳抗力影响不大。,.,191,用光滑试样低周疲劳试验结果来估算缺口机件的疲劳寿命。如果光滑试样和缺口机件缺口根部区经受相同的循环应力应变历程，则形成同样累积损伤所需的加载循环周次应该相同。根据这一假设提出的估算缺口机件疲劳寿命的方法，称为局部应变法。它是将缺口根部区局部的应力应变与机件所受名义应力应变联系起来，以估算疲劳寿命的方法。,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算,.,192,5.6低周疲劳,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算步骤这种方法分两个步骤：一是根据缺口机件所受名义应力确定缺口根部区局部的应力和应变；二是由局部应力和应变估算疲劳寿命。,.,193,5.6低周疲劳,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算第一步Neuber规则认为，在缺口根部区处于弹塑性状态时，理论应力集中系数Kt等于实际应力集中系数K和实际应变集中系数K的几何平均值，并且可以推广应用于低周疲劳，即,.,194,5.6低周疲劳,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算第一步,如果缺口根部区处于弹性状态,名恒定时，为等轴双曲线,由Neuber规则确定的局部应力范围和应变范围呈双曲线变化。,.,195,5.6低周疲劳,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算第一步当材料给定时，材料就有确定的循环应力应变曲线。由于缺口根部区的局部应力应变必须与材料的循环应力应变行为一致。所以两条曲线的交点决定的应力和应变就是机件缺口根部区的局部应力和应变。,.,196,5.6低周疲劳,5.6.4缺口机件疲劳寿命估算第二步根据所得的局部应变范围，从光滑试样测得的材料t/22Nf