工程材料力学性能

工程材料力学性能第1页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能2第一节变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征一、变动载荷及其描述二、疲劳破坏特征和断口分析第2页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能31、变动载荷变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷。前者称为周期变动载荷（应力）或循环载荷（应力），后者称为随机变动载荷。变动载荷及其描述第3页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能42、描述参量循环中最大应力循环中最小应力平均应力应力半幅应力比应力变程第4页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能5疲劳破坏特征和断口分析一种“潜藏”的失效方式，无明显塑性变形，断裂常常是突发性的，没有预兆表面缺陷存在时，局部应力集中而形成裂纹，裂纹不断扩展，断裂疲劳与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性，是一个累积损伤的过程第5页，共79页，2023年，2月20日，星期一6第6页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能7第7页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能8第8页，共79页，2023年，2月20日，星期一9深圳华侨城太空迷航事故第9页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能10第二节S-N曲线和疲劳极限一、疲劳分类二、S-N曲线和疲劳极限第10页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能11疲劳分类热疲劳（低周疲劳、低频疲劳）机械疲劳疲劳腐蚀疲劳环境作用下的疲劳高温疲劳微振疲劳

第11页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能12按应力和应变大小分应变疲劳（高应力）--低周疲劳（低循环疲劳）应力疲劳（低应力）--高周疲劳（高循环疲劳）按频率高低分低频疲劳和高频疲劳按载荷类型分弯曲疲劳—单向、双向扭转疲劳—单向、双向拉—拉疲劳或拉—压疲劳接触疲劳复合载荷下的疲劳第12页，共79页，2023年，2月20日，星期一13某压缩机转子失效分析压缩机透平自2003年10月到2006年3月一直运行良好，2006年3月调速侧轴承温度升高，更换透平备用转子（序列号：2LRHWZ），在那之后一直运行正常，2007年3月18日凌晨3时52分在稳定的工作转速12378rpm下，前后径向轴承振动值突然异常飙升，最大的振动VT-2505振值由11μm突增致78μm，透平排汽端发出较强的异常响声，且透平排汽端、管道及楼台支撑横梁振动较强，排汽端温度探头连线被震断。最后，振动一直不断上升，4月17日超过100um，所以透平停车，打开透平缸体，发现透平转子第5级叶轮上一个叶片断裂靠近自由端的止推轴承巴氏合金层从瓦块上脱落。

第13页，共79页，2023年，2月20日，星期一14第14页，共79页，2023年，2月20日，星期一15第15页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能16S－N曲线及疲劳极限SNσR中低强度钢第16页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能17S－N曲线及疲劳极限SNσR（N）高强钢、不锈钢、钛合金和铝合金第17页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能18

S-N曲线倾斜部分反映过载持久值，它表示当应力超过疲劳极限时，金属材料对过载的抗力大小NSN第18页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能19缺口试样疲劳极限要低于光滑试样疲劳极限。SN缺口试样光滑试样第19页，共79页，2023年，2月20日，星期一Instron疲劳试验机疲劳试验失效分析预测预防研究所Amsler疲劳试验机USF2000超声疲劳试验机疲劳试验应力/MPa频率/Hz应力比设计总寿命/次1低周疲劳10005-19,9832高周疲劳71020-1142,0143高频疲劳710120-135,5004超声疲劳50020,000-18.48×107第20页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能21典型S-N曲线是由有限寿命和长寿命两部分组成。疲劳极限一般采用升降法测量。疲劳寿命一般采用成组试验法测量。第21页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能22第三节循环应力特性对疲劳强度的影响循环应力特性主要包括：平均应力或应力比和加载方式。一、平均应力和疲劳图二、应力状态的影响第22页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能23非零平均应力下的S-N曲线

在许多实际工况下，零件承受着非对称循环应力，在这种情况下要预测寿命，就有必要研究非对称循环应力下材料的疲劳特性。第23页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能24第24页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能25第25页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能26平均应力、应力半幅以及材料常规性能之间建立关系：第26页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能27极限循环振幅图第27页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能28极限循环应力图第28页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能29第29页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能30应力状态的影响应力状态不同，疲劳应力—寿命曲线不同，相应的疲劳极限也不会相同。

σ-1P

=0.85σ-1(钢）

σ-1P

=0.68σ-1(铸铁）

τ-1P

=0.55σ-1(铜及轻合金）

τ-1P

=0.80σ-1(铸铁）第30页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能31第四节理论应力集中系数和

疲劳应力集中系数理论应力集中系数Kt=σmax

/σN疲劳应力集中系数Kf=σ-1

/σ-1N缺口敏感因子q=(Kf-1)/(Kt-1)第31页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能32第五节应力变动和累积损伤许多结构的真实使用条件多是在一定范围内变动的载荷。如果能用恒幅试验的数据来预测承受变化载荷构件的疲劳寿命是很有实际意义的。基本思想：随着循环周次的增加，材料内部发生损伤，即每一循环都产生疲劳损伤，当损伤累积到某一数值时，材料因有寿命或塑性耗尽，便导致材料的破坏。第32页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能33最简单、最早提出来的是线性累积规律1、在某一应力水平下每一循环周次对材料内部造成的损伤是相同的。2、材料在S1作用下n1周次，总寿命为Nf1，则损伤率n1/Nf1。不同应力下的累积为：时就会失效。第33页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能34优点：简单缺点：没有考虑各个不同应力水平先后次序的影响。若S1>S2，则若S1<S2，则第34页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能35第六节低周疲劳早期工程结构的疲劳设计主要是以疲劳极限为依据，而且服役的实际应力水平还远小于疲劳极限，这意味着构件要有无限寿命。航空航天中这种设计思想就不能满足要求，要求有限寿命设计，因为要求结构紧凑、重量轻、允许较大的承载能力。第35页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能36航空航天中这种设计思想就不能满足要求，要求有限寿命设计，因为要求结构紧凑、重量轻、允许较大的承载能力。SN第36页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能37构件设计名义应力本身一般不会达到材料的屈服应力，但构件上存在的缺口或类似几何形貌的部位可由应力集中而使局部接近、甚至进入了弹塑性状态。这种较小的局部塑性变形区通常又被弹性区所约束，所以构件的关键部位都已进入弹塑性状态，且处于控制应变的疲劳过程中。

第37页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能38低周疲劳过程中，材料进入了循环的弹塑性状态，所以所涉及的疲劳特性要比高周疲劳所涉及的特性复杂一些。如要涉及滞后回路、材料循环应力－－应变和应变－－寿命响应以及与缺口有关的疲劳寿命评估等问题。第38页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能391、滞后回线

低周疲劳试验用一组试样以不同的总应变幅控制应变进行，对于对称循环而言，Δε/2接近于材料的屈服应变到1%附近的范围内变化，所以一个完全循环加载下应力－－应变曲线必然为一滞后回线。第39页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能40第40页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能41滞后环内面积代表材料所受的塑性变形功，其中一部分以冷加工形式储存在材料中，另一部分以热的形式向周围环境散逸。

Δεe=Δσ/EΔεp=Δε-Δσ/EΔεp→0,滞后回线收缩为一条直线。第41页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能422、循环硬化和循环软化

加载时材料对循环加载的响应有一个过渡过程，这一过程可用应力控制下的应变－－时间或应变控制下的应力－－时间函数表示。经过几十到几百周次循环才趋于稳定。第42页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能43第43页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能44第44页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能45第45页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能463、循环应力－－应变曲线循环应力－－应变曲线可用类似静拉伸流变曲线的Hollomon关系描写：K’循环应变的强度系数，n’为循环加载下的形变硬化指数，n’=0.1~0.2第46页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能47第47页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能48第48页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能494、应变－－寿命曲线该曲线也是材料低周疲劳的重要特性。

Δεe/2~2Nf之间关系：

Δεp/2~2Nf之间关系（Manson-Coffin）

第49页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能50此式既反映长寿命的弹性应变－－寿命关系，又反映短寿命的塑性应变－－寿命关系。第50页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能51第51页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能52第52页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能53如果考虑非对称疲劳条件，Manson-Coffin方程需要修正。引用σm对疲劳寿命的Goodman关系。第53页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能545、缺口零件疲劳寿命预测由Manson-Coffin关系，对光滑试样有：即无论塑性应变幅怎样影响疲劳失效的寿命，最终失效所累积的塑性变形量总是一个定值。

第54页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能55常用的方法：断裂力学方法；局部等量应力幅法；局部应变法。第55页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能56当光滑试样和缺口零件的缺口根部经受相同的循环应变历程时，则形成同一损伤所需的加载循环周次应该相同，这种包含累积损伤在内的有限寿命预测方法通常称为局部应变法。利用局部应变法预测缺口零件疲劳寿命的关键在于求出零件缺口根部的局部应变范围Δε。Δε已进入弹塑性区，求解复杂。第56页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能57Neuber规则：真实应力集中系数：真实应变集中系数：第57页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能58若Δσn、Δεn处于弹性状态，则改写为第58页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能59第59页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能606、热疲劳低周疲劳中，由热应力或热应力和机械应力共同作用的一类疲劳。锅炉、蒸汽和燃气发动机、模具都会出现热疲劳。第60页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能61热疲劳中

Δε=αΔT，其中α为膨胀系数。

因此，塑性好的材料热疲劳寿命长。第61页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能62第七节疲劳裂纹扩展裂纹稳态扩展到临界尺寸就会发生失稳断裂。小尺寸的裂纹不容易被检出。因此，需要讨论工程材料疲劳裂纹扩展过程的规律和影响因素。第62页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能63一、应力、裂纹长度与

疲劳裂纹扩展的关系第63页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能64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，则应力强度因子幅度是疲劳裂纹扩展的控制因子。因此，Paris等人提出了经验方程：

第64页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能65第65页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能66二、平均应力的影响压缩载荷对恒幅应力下的疲劳裂纹扩展的影响很小。因此主要研究平均拉应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。

第66页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能67第67页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能68

描写Ⅱ区、Ⅲ区平均应力影响的常用方程为Forman方程为：此式实际是对Paris公式的修正。反映R对门槛值影响的经验方程是：

第68页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能69三、组织对疲劳裂纹扩展速率的影响随晶粒尺寸增大，门槛值增大；随屈服强度下降门槛值上升，因此，降低屈服强度和增大晶粒尺寸，对裂纹不扩展有利。高强度和细晶粒对阻止疲劳裂纹萌生和微裂纹扩展有利。第69页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能70四、扩展寿命的估算先用无损检测方法检出裂纹a0形状、位置和取向→确定KIC→计算ac→计算a0扩展到ac所需周次。第70页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能71

当m≠2时，当m=2时，

第71页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能72第八节疲劳裂纹的萌生和扩展机理

第72页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能73一、疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹起源于应变集中的局部显微区域。尽管塑性应变主要方式是滑移，但循环塑性应变的滑移局限于某些晶粒内，而且滑移带细。这种滑移首先在试样表面形成，然后向内部扩展，形成“驻留滑移带”。“驻留滑移带”形成后在表面形成“挤出带”和“侵入沟”，后者将发展成为疲劳裂纹核心。疲劳裂纹形核与交滑移的难易程度有关。疲劳裂纹形核与某些损伤所造成的高度应力集中有关。第73页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能74第74页，共79页，2023年，2月20日，星期一2023/4/28工程材料力学性能75二、疲劳裂纹扩展方式和机理扩展分为两个阶段：第一扩展阶段约2~3个晶粒尺寸，属于微裂纹扩展，在较大应力水平下，萌生的微