材料力学性能(5)

1、材料力学性能材料力学性能第五章第五章 材料在交变载荷下的力学行为材料在交变载荷下的力学行为5.1 5.1 变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征5.2 高周疲劳高周疲劳5.3 低周疲劳低周疲劳5.4 热疲劳热疲劳 5.5 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 5.6 疲劳裂纹萌生和扩展机理疲劳裂纹萌生和扩展机理5.7 防止裂纹萌生与扩展的措施防止裂纹萌生与扩展的措施 第五章第五章 材料在交变载荷下的力学行为材料在交变载荷下的力学行为5.1 5.1 变动载荷（应力）和变动载荷（应力）和疲劳疲劳破坏的特征破坏的特征 变动载荷（应力）变动载荷（应力）周期变动周期变动载荷载荷： 按一定规

2、律呈周期性变化按一定规律呈周期性变化随机变动载荷随机变动载荷： 无规则随机变化的载荷无规则随机变化的载荷 5.1.1 5.1.1 变动载荷（应力）及其描述参量变动载荷（应力）及其描述参量 （1 1）波形：正弦曲线为主，）波形：正弦曲线为主，还还有三角形波、梯形波等有三角形波、梯形波等 （2 2）（3 3）平均应力）平均应力 （4 4）应力比）应力比R R（循环的不对称程度）（循环的不对称程度） minmax和最小应力最大应力am和应力半幅2minmaxm2minmaxamaxmin/RR=-1为对称循环 5 5个描述参量个描述参量特征特征5.1.2 疲劳破坏特征和断口疲劳破坏特征和断口 基本特

3、征：基本特征：（1 1）扰动应力扰动应力（随时间变化的应力）下；（随时间变化的应力）下；（2 2）源于源于高应力或高应变的高应力或高应变的局部局部；（3 3）突发性脆断突发性脆断（无论静载下脆性与否）；（无论静载下脆性与否）；（3 3）是一个发展过程是一个发展过程 裂纹萌生、扩展、断裂，其经历时间为裂纹萌生、扩展、断裂，其经历时间为“寿命寿命”。循环，内部损伤，积累，固有的寿命或塑性耗尽疲劳积累损伤疲劳积累损伤5.2 高周疲劳高周疲劳 定义：定义： 小型试样在变动载荷时，疲劳断裂寿命小型试样在变动载荷时，疲劳断裂寿命105周次的疲劳周次的疲劳特点：特点： 交变应力水平处于弹性变形范围内交变应力

4、水平处于弹性变形范围内；试验：试验： 既可以控制应力，也可以控制应变，试验方法上控制应力容易既可以控制应力，也可以控制应变，试验方法上控制应力容易， 高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的；表征：表征： 最大应力最大应力 对循环寿命对循环寿命N的关系（的关系（S-N曲线）曲线） 和疲劳极限和疲劳极限 来表征材料的疲劳特性和指标来表征材料的疲劳特性和指标 a或应力振幅maxR疲劳极限疲劳极限 条件条件疲劳极限疲劳极限 给出一定循环周次（108或5107周次） 抗过载能力抗过载能力 缺口试样缺口试样 )(NR？5.3 低周疲劳低周疲劳 一般规律：交变应力很大，

5、低周次（一般规律：交变应力很大，低周次（10105 5）下的破坏）下的破坏 采用控制应变的方法，即采用控制应变的方法，即 曲线曲线 目的目的: :用光滑试样的疲劳数据来预测缺口零件的疲劳寿命用光滑试样的疲劳数据来预测缺口零件的疲劳寿命 N大多数工程构件都带有缺口，圆孔、拐角等，当其受到周期载荷时，虽然整体上大多数工程构件都带有缺口，圆孔、拐角等，当其受到周期载荷时，虽然整体上尚处在弹性变形范围，但在应力集中部位的材料已进入塑性变形状态，这时，控尚处在弹性变形范围，但在应力集中部位的材料已进入塑性变形状态，这时，控制材料疲劳行为的已不是名义应力，而是局部塑性变形区的循环塑性应变；制材料疲劳行为的

6、已不是名义应力，而是局部塑性变形区的循环塑性应变；零件缺口处的实际应力不容易计算，而缺口处的真实应变是可以测量；零件缺口处的实际应力不容易计算，而缺口处的真实应变是可以测量；屈服后应变变化大应力变化小；屈服后应变变化大应力变化小；因而凡属低周疲劳问题都用应变控制。低周疲劳也就叫做应变疲劳。因而凡属低周疲劳问题都用应变控制。低周疲劳也就叫做应变疲劳。 5.3.1 滞后回线滞后回线 循环载荷下，材料的应力应变循环载荷下，材料的应力应变响应与单调加载有很大的不同响应与单调加载有很大的不同总应变幅包括弹性应变幅和塑总应变幅包括弹性应变幅和塑性应变幅，即性应变幅，即 pe完整的载荷循环所对应的应力完整的

7、载荷循环所对应的应力-应变应变曲线围成一个封闭的回线，此回线称曲线围成一个封闭的回线，此回线称为滞后回线或滞后环为滞后回线或滞后环。滞后环内的面滞后环内的面积代表材料所吸收的塑性变形功积代表材料所吸收的塑性变形功 Ee/Ep/0p高周疲劳高周疲劳加载初期，加载初期，材料对循环加载的响应材料对循环加载的响应有一个由不稳定向稳定过渡的过程有一个由不稳定向稳定过渡的过程。类似于包申格效应，材料因载荷循类似于包申格效应，材料因载荷循环而出现循环硬化或循环软化，初环而出现循环硬化或循环软化，初期的滞后环并不封闭。期的滞后环并不封闭。5.3.2 循环硬化和循环软化循环硬化和循环软化 应力控制下的材料循环特

8、性 应变控制下的材料循环特征 恒定应变时滞后回线形状 一般，在控制应变幅恒定的情况下，一般，在控制应变幅恒定的情况下，对原始状态较软的材料，在循环加对原始状态较软的材料，在循环加载时会产生塑性变形抗力随着加载载时会产生塑性变形抗力随着加载周次增加，是硬化现象；反之，对周次增加，是硬化现象；反之，对原始状态为强度或硬度较高的材料，原始状态为强度或硬度较高的材料，会发生形变抗力随周次的增加而降会发生形变抗力随周次的增加而降低，就是软化现象。低，就是软化现象。 危险！危险！5.3.3 循环应力循环应力-应变曲线应变曲线 循环循环 应力应力-应变曲线应变曲线：各稳定滞后回线的顶点的连线各稳定滞后回线的

9、顶点的连线 nPK)2(2 为循环变硬化指数，对大多数金属材料， =0.10.2 nK,为循环强度系数nnPeKE1)2(22225.4热疲劳热疲劳 由热应力或热应力和机械应力共同作用下引起疲劳称为热疲劳。由热应力或热应力和机械应力共同作用下引起疲劳称为热疲劳。 Tll长度为l的杆，两端固定，温度由零上升到T。假设杆为两端自由，线膨胀系数为a，则杆的伸长为 由于杆的两端固定，使杆不能自由伸长，故以上伸长量成为杆的压缩变形量，其压变为 Tll设材料的弹性模量为E，则温度升高而产生的压应力为 TEE这时，即使不加外力，物体也产生应力。这种应力称为热应力 在零件和构件中产生热应力的原因：（1）零件的

10、热膨胀或冷收缩受外界的约束；（2）两组装件之间有温差；（3）某一零件中有温度梯度；（4）线胀系数不同的材料相组合。 如杆加热到温度T2后被固定起来，则当杆冷却时在杆中便产生拉应力。如果这个应力很大，杆就可能产生塑性变形。当温度冷却到T1（T1 T2）时，应力和应变状态相当于图点1。如将杆再加热到温度T2，应力-应变的迟滞回线就达到图上的 点。若反复施加这样的温度循环，就可画出迟滞回线1 ，最后发生热疲劳。 2212 1 5.5 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 快速扩展：快速扩展： 慢速扩展：慢速扩展：v 大缺陷可检测大缺陷可检测v 循环载荷下滋生并循环载荷下滋生并/ /或逐渐长大的裂纹更危险或逐渐长

11、大的裂纹更危险EaG2临界（失稳）扩展临界（失稳）扩展亚临界（稳态）扩展亚临界（稳态）扩展5.5.1 应力、裂纹长度与疲劳裂纹扩展的关系应力、裂纹长度与疲劳裂纹扩展的关系 ParisParis经验方程经验方程：如果把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区如果把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，域的断裂过程，则可则可设想应力强度因子幅度设想应力强度因子幅度 是疲劳裂是疲劳裂纹扩展的控制因子纹扩展的控制因子minmaxKKKmKCdNda/da/dN为裂纹扩展速率；C、m为与材料和环境有关的常数 适用中等应力强度水平疲劳裂纹扩展 应力水平越高，裂纹扩展越快。裂纹尺寸越大，裂纹扩展

12、越快 裂纹扩展的全过程裂纹扩展的全过程双对数坐标中，da/dN-KI 区： th，裂纹扩展速率先快后缓Paris,Paris,估算寿命KKIII区：裂纹扩展速率再次加快，Kmax= KIc时，断裂 th控制控制 & & II 区设计区设计 ? ?K5.5.2 疲劳裂纹扩展寿命的估算疲劳裂纹扩展寿命的估算 在在Paris公式有效范围，取公式有效范围，取 ，则有，则有 aYK1maYCdNda)(2/2/)(mmmmaCYdadNmmmmmcNcCYmaadNNc)()21 (2/210210220)(InCYaaNcc(m2) (m=2) 5.6 疲劳裂纹萌生和扩展机理疲劳裂纹萌

13、生和扩展机理 5.6.1 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 两个滑移系交替动作,一个循环周次之后，分别形成一个挤出带和一个侵入沟,随循环周次增加，挤出带更凸起，侵入沟更凹进 1滑移滑移 2位错位错 异号位错相消，空位聚集成微裂纹 5接触接触 表面情况强度（MPa）工厂刚制得受砂子严重冲刷后用酸腐蚀除去表面缺陷后45.514.01750直径为6.4mm的玻璃棒，在不同情况下测得的强度 接触损伤模型 6 6加工加工5.6.2 疲劳裂纹扩展的方式和机理疲劳裂纹扩展的方式和机理 张应力张开、张应力张开、压应力闭合压应力闭合循环、渐进循环、渐进张开、扩展张开、扩展钝化钝化锐化锐化闭合、增量闭合、增量5.7防

14、止裂纹萌生与扩展的措施防止裂纹萌生与扩展的措施A 控制裂纹的成核控制裂纹的成核/ /扩展扩展 th与晶粒尺寸、屈服应力有关：随材料不同而异与晶粒尺寸、屈服应力有关：随材料不同而异断裂型断裂型（致密、脆性材料）：损坏取决于裂纹萌生（萌生难、扩展易），（致密、脆性材料）：损坏取决于裂纹萌生（萌生难、扩展易），控制萌生（否则只要产生就扩展），控制萌生（否则只要产生就扩展），屈服应力，屈服应力，晶粒尺寸，晶粒尺寸， thth；损伤型损伤型（疏松、塑性材料）：损坏取决于扩展（萌生易、扩展难），（疏松、塑性材料）：损坏取决于扩展（萌生易、扩展难），控制扩展，控制扩展，rr， ththKKKB表面处理表面处

15、理：机械处理：研磨、抛光；机械处理：研磨、抛光；物理处理：喷丸（在表面形成残余压应力层）；物理处理：喷丸（在表面形成残余压应力层）；化学处理：渗硬质大颗粒、电镀、离子强化、相变；化学处理：渗硬质大颗粒、电镀、离子强化、相变；热处理：钢化玻璃热处理：钢化玻璃C设计方面设计方面：张应力危险，压应力促使裂纹闭合张应力危险，压应力促使裂纹闭合避免应力集中：导角；避免应力集中：导角；避免张应力：过盈配合；避免张应力：过盈配合；应力释放：应力释放：作业：作业：1 1什么叫低周疲劳和高周疲劳什么叫低周疲劳和高周疲劳?为什么高周疲劳多用应力控制，为什么高周疲劳多用应力控制，低周疲劳多用应变控制低周疲劳多用应变

16、控制? 2 2 裂纹慢速扩展与快速扩展的联系与区别裂纹慢速扩展与快速扩展的联系与区别3 3 什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其大小什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其大小?它有什么实它有什么实用价值用价值?裂纹扩展门槛值的意义裂纹扩展门槛值的意义4 4 热疲劳及其产生原因热疲劳及其产生原因5 5 疲劳寿命预测原理疲劳寿命预测原理6 6 叙述产生疲劳裂纹的各种机制叙述产生疲劳裂纹的各种机制7 7 裂纹扩展机理裂纹扩展机理8 防止裂纹萌生与扩展的措施防止裂纹萌生与扩展的措施 0()ndaCKdNICK00thaK 9. 在无限大厚板的中心有一个长度为2a0的穿透裂纹；如厚板在使用过程中受到幅度为、方向为垂直于裂纹面的脉动应力作用