力学性能总结3

第一节疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。变动载荷是指载荷的大小、甚至方向都随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值称为变动应力。规则周期变动应力（循环应力）无规则随机变动应力第五章材料的疲劳性能1/28/2024

图5－4正弦波循环应力特征参数周期T

max

min

m

a

a循环应力波形有正弦波、矩形波、三角波等，其中常见的为正弦波，如图5－4所示。几个力学参量：平均应力：应力幅：应力比：t周期：T最大应力：

max

最小应力：

min

1/28/2024二、疲劳破坏本质和特点

1．疲劳破坏的本质

疲劳破坏的过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。σ－1<<σb1/28/20242、疲劳现象分类按应力状态弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳复合疲劳按环境情况大气疲劳腐蚀疲劳高温疲劳接触疲劳热疲劳1/28/2024按断裂寿命和应力大小高周疲劳低周疲劳Nf≥105

≤

s

Nf=102~105

s≤

高周疲劳断裂寿命长，无变形。低周疲劳断裂寿命短，应力高。疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。1/28/2024三、疲劳断口的宏观特征包括疲劳源、疲劳区、瞬断区疲劳源：比较光亮，有加工硬化现象，可以有多个，与夹杂、缩孔、偏析、白点等相连，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑有关。

1/28/2024（一）疲劳曲线和疲劳极限四点弯曲实验机。r=-1,平均应力σm=0,对称循环，在0.4～0.67σb内选择应力。S表示最大应力值，N表示经历的循环周次，σ－1表示疲劳强度，有色合金无水平线，有限寿命N=106~8下的条件疲劳强度。图5－6图5－5一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能1/28/2024（二）疲劳曲线的测定大量的试验表明，金属的疲劳曲线有两种类型：一种是有水平线段的疲劳曲线，如图5－7(a)所示，一般的结构钢和球墨铸铁就是这种曲线。另一种是无水平线段的疲劳曲线，如图5－7(b)所示，有色金属、不锈钢、高强度钢是此种曲线。图5－7两类不同的疲劳曲线σ循环周次N循环周次Nσ(a)有水平线段(b)无水平线段σ1σ2σ3σ4σRσ5107N1N2N3N4NσN1/28/2024过载持久值

r

N图5－13过载持久值

金属材料在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的循环周次称为材料的过载持久值图中曲线高应力部分

，也称有限疲劳寿命，它表征了材料对过载的抗力。曲线越陡，过载持久值越高，说明材料在相同的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗过载能力越强。三、过载持久值及过载损伤界1/28/2024过载损伤界曲线是先期已经发生过载试样的结果。金属机件经受短期过载，但应力循环周次还未达到过载持久值，试样先在高于条件疲劳极限的应力下运转一定周次，再在过载持久值下继续实验并测出疲劳寿命，如果不影响疲劳寿命，说明尚未达到过载损伤界，若疲劳寿命缩短，说明已造成了疲劳损伤。1/28/2024通过反复实验便可确定某一过载水平下，开始降低疲劳寿命的应力循环周次。继续在别的过载应力下实验，确定过载损伤点，将其连接起来就得到了过载损伤界，如图5－13所示。过载损伤界越陡直，过载损伤区越窄，说明材料的抗过载能力越强。工程上有时宁可选疲劳极限低而过载损伤区窄的材料以保安全。

N图5－13过载损伤界和过载持久值

r

过载损伤界过载持久值过载损伤区过载损伤区

1/28/2024机件由于使用的需要，常带有台阶、健槽、油孔、螺纹等类似于缺口的结构，会改变应力状态，产生应力集中。金属材料在交变载荷下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示：式中：Kt－理论应力集中系数，可从有关手册中查到；Kf－疲劳缺口系数，>1，

-1为光滑试样的疲劳极限，

-1N为缺口试样的疲劳极限。四、疲劳缺口敏感度1/28/2024qf越大对缺口越敏感，高强度钢对裂纹敏感，因为无塑性变形释放应力；曲率半径越大越敏感，因为r越大相当于裂纹长度越接近或者超过裂纹临界扩展尺寸ac。1/28/2024当Kf＝1时，qf＝0，对缺口完全不敏感；

当Kf＝Kt

时qf＝1，对缺口十分敏感。

结构钢，qf＝0.6-0.8，球铁qf＝0.11-0.25，灰铁qf＝0-0.05。（铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺寸，再有缺口影响不大）1/28/2024第三节疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值一、疲劳裂纹扩展曲线

疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。

通过三点弯曲切口试样TPB或紧凑拉伸试样CT在固定r和应力幅Δσ下由试验测定长度，绘制a～N曲线，求导确定da/dN。应力越大，裂纹扩展越快，a～N曲线越向左上方移动。aNσ2σ1σ2>σ1ac2ac1da/dN图5－15疲劳裂纹扩展曲线1/28/2024绘制

lg（da/dN）－lg△K1

关系曲线

I区为近门槛区：裂纹扩展速率随着△KI的降低而迅速降低，以至da／dN→0。（书中5-17、5-18、5-21横坐标刻度应是对数值）与此相对应△KI值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。图5－16da/dN～

K的关系曲线当△K1≤△Kth

时，对应于da／dN＝10-8-10-6m／cycle。二、疲劳裂纹扩展速率（一）疲劳裂纹扩展速率曲线Ⅲ区

da/dNlg

KⅠ区

Ⅱ区

Kth1/28/2024II区为中部区或稳态扩展区裂纹扩展速率在logda/dN-log△KI

双对数坐标上呈一直线。

da／dN

＞10-5-10-2m／cycle,III区为裂纹快速扩展区并随着△KI的增大而迅速升高。当△

KI=KIC

时，试件或零件断裂。图5－17各种钢的疲劳裂纹扩展速率的分散带1/28/2024疲劳剩余寿命（书中有例题）探伤获得a0，断裂韧性公式求得ac，由paris公式求得下式：

当n＝2时，三、疲劳裂纹扩展寿命的估算1/28/2024第四节疲劳破坏的机理一、金属材料的疲劳裂纹萌生疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起：1）表面滑移带开裂；2）第二相、夹杂物和基体表面或夹杂物本身开裂；3）晶界或亚晶界开裂。⊥

⊥⊥

⊥

⊥

滑移面碳化物裂纹晶内碳化物开裂σσ图5－221/28/2024工作条件表面状态及尺寸因素表面处理材料因素影响因素载荷条件载荷频率环境温度环境介质应力状态应力比过载情况次载情况平均应力尺寸效应表面粗糙度缺口效应表面喷丸及滚压表面热处理表面涂层化学成分组织结构各向异性内部缺陷第五节影响材料及机件疲劳强度的因素1/28/2024

一、工作条件的影响①次载锻炼：材料在低于疲劳强度的应力先运转一定周次而使材料的疲劳强度提高的现象。右图为45＃钢经淬火、200℃回火后在0.9

－1应力锻练循环2×106周次后的疲劳曲线，明显向右上方移动，表明次载锻练既提高了疲劳极限，又延长了疲劳寿命。

图5－291/28/2024②间歇效应：对应变时效材料，在循环加载运行过程中，若间歇空载运行一定时间或适当加温而使材料疲劳强度提高的现象。实际机件工作时大都是非连续运行的，其

－1和实验室中连续加载的

－1相比有明显的差别，间歇是造成这种影响的主要原因。具有强烈应变时效的20＃、45＃及40Cr钢在循环加载运行中，若间歇空载一定时间后，可以提高疲劳强度和疲劳寿命。1/28/2024③表面状态：在循环载荷作用下，金属的不均匀滑移主要集中在金属表面，裂纹也常常在表面产生。表面的微观几何形状如刀痕、擦伤或磨削裂纹等都象小缺口一样产生应力集中使疲劳极限降低。表面粗糙度越低，疲劳极限越高；材料强度越高，粗糙度对疲劳极限的影响越显著。图5－361/28/2024表面热处理及表面化学热处理：火焰加热感应加热整体加热(低淬透性钢、薄壳件)表面淬火表面化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗复合强化利用组织相变获得表面强化，可使机件获得表硬心韧的良好综合性能，可利用组织相变及组织应力、热应力的变化，使机件表层获得很高的强度和残余压应力。二、表面强化及残余应力的影响1/28/2024

第一节磨损的基本概念及类型一、摩擦与磨损的概念1．摩擦：接触物体间一种阻碍运动的现象，动态摩擦系数小于静态。两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。第六章材料的磨损性能1/28/2024按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。2．磨损：在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象，磨屑的形成是变形和断裂的过程。1/28/2024（1）跑合阶段：实际接触面积增大，表面应变硬化，形成牢固氧化膜，磨损速率不断减小；（2）恒定磨损阶段――磨损速率恒定（3）剧烈磨损阶段：摩擦副接触表面间隙增大，表面质量恶化，润滑膜被破坏时间(或摩擦行程)磨损量图7－1磨损曲线跑合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段1/28/2024二、磨损的基本类型

粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、氧化磨损、麻点疲劳磨损（接触疲劳磨损）。粘着磨损与氧化磨损相互转换。压力增加磨损滑动速度降低磨损1/28/2024第二节磨损过程

一、粘着磨损

定义与特点：粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小(1m/s)时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点的屈服强度而产生的一种磨损。1.条件：滑动速度小，接触面氧化膜脆弱、润滑条件差以及接触应力大。1/28/20242.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量估算方法。

在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度

sc的三倍。设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3

sc，作用于表面上的法向力为P。假定磨屑呈半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有粘着点的尺寸相同，直径为d，则：1/28/2024单位滑动距离内的接触点数磨屑形成有个几率问题，几率为K--粘着磨损系数，随压力增大而增加。

当压力超过屈服强度时，K剧增。接触点半球体积1/28/20243.粘着磨损量的影响因素：材料特性：塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的材料(相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学固溶体比化合物粘着倾向大；金属－金属摩擦副比金属－非金属粘着倾向大。1/28/2024法向力：摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验指出，当接触压应力超过材料硬度的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时甚至会产生咬死现象。1/28/2024滑动速度：法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加，达某一极大值后又随滑动速度增加而减小。这可能是由于滑动速度增加，导致温度升高、剪切强度下降(使磨损量增加)以及塑性变形不能充分进行延缓粘着点长大(使磨损量下降)这两个因素共同作用的结果，也可能与磨损类型变化有关。1/28/2024温度：提高温度促进粘着磨损的产生。这里所说的温度是环境温度或摩擦副体积平均温度，它不同于摩擦副的表面平均温度，更不同于摩擦副接触区的温度。在接触区内因摩擦热的影响，温度很高，甚至可能使材料达到熔化状态。降低粗糙度可增加抗粘着磨损的能力，但粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进粘着。1/28/2024二、磨料磨损

1.定义：磨料磨损或研磨磨损，是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损，前者又可称为两体磨粒磨损——如挫削过程。后者又称为三体磨粒磨损——如抛光。硬质粒子可以是磨损产生而脱落在摩擦副表面间的金属磨屑，也可以是自表面脱落下来的氧化物或沙粒、灰尘等。图6－6磨粒磨损两体磨粒磨损三体磨粒磨损1/28/2024图6－8是理想化的磨粒磨损模型，实际上，由于磨粒的棱面相对摩擦表面的取向不同，只有一部分磨粒才能切削表面产生磨屑，大部分磨粒嵌入较软材料中并使之产生塑性变形(即使是脆性材料也会产生少量塑性变形)，造成擦伤或形成沟槽。堆积在沟槽两侧的材料，在摩擦副随后相对运动中，只有一部分能形成磨屑。2.磨损量的估算：图6－8

磨粒磨损量与法向力、摩擦距离成正比，与材料硬度成反比，同时还与材料凸出部分或磨粒形状有关。1/28/2024三、氧化磨损：氧化磨损速率最小，约0.1~0.5μm/h，属于正常类型的磨损。任何存在于大气中的机件表面总会有一层氧的吸附层。当摩擦副作运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加剧了氧向金属内部扩散，从而形成氧化膜。形成的氧化膜强度低，在摩擦副的继续运动下，氧化膜逐渐被剥落，裸露出新的表面，从而又发生氧化，随后再被磨去，如此过程反复进行，机件表面被磨损，这就是氧化磨损过程。1/28/2024氧化磨损的宏观特征是：在摩擦面上沿滑动方向呈均匀细小的磨痕，磨损产物为红褐色的Fe2O3或灰黑色的Fe3O4。氧化磨损速率取决于：摩擦副表面层对塑性变形的抗力；氧在金属中的扩散速率；氧化膜的性质、厚度以及与基体的结合力等。当然，摩擦学参数如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等也影响氧化磨损速率。研究表明，氧化磨损体积与接触压力、滑动距离成正比，而与氧化膜的厚度、密度、滑动速度、摩擦副的屈服强度成反比。氧化磨损不一定是有害的，如果先于其它磨损(如粘着磨损)发生，还是有利的。1/28/2024四、接触疲劳

1.接触疲劳现象：接触疲劳是两机件接触作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。图6－16接触疲劳宏观形态特征是在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发展线的痕迹。1/28/2024

2．接触应力的概念分为线接触和点接触两类（1）圆柱体的线接触应力图6－18综合弹性1/28/2024图6－19图6－20应力半幅1/28/2024图6-21应力半幅1/28/2024（1）麻点剥落（滚动＋滑动）最大切应力位于表层0.1-0.2mm（图6－22）；（2）浅层剥落（纯滚动）0.2-0.4mm塑性变形区，（图6－23）；

图6－22表面麻点剥落形成过程图6－233.接触疲劳破坏机理：1/28/2024在0.5b处形成交变塑性变形区形成裂纹裂纹扩展剥落图6－24浅层剥落过程示意图0.5b1/28/2024

（3）深层剥落（压碎性剥落）：此时过渡区产生疲劳裂纹，平行于表面扩展后，垂直折向表面，呈大块剥落。过渡区图6－251/28/2024第三节耐磨性及其测量方法

一、材料的耐磨性

耐磨性是指材料抵抗磨损的性能。耐磨性：磨损量的倒数

称重法：用精密天平分析称量试样试验前后质量变化

尺寸法：根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。

相对耐磨性：标准试样的磨损量除以被测试样的磨损量。

磨损系数：相对耐磨性的倒数。

比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量。1/28/2024二、磨损试验方法（a）削盘式ML-10,MD-240（b）环块式MHK-500（滑动、滚动、弧形面接触摩擦）（c）往返运动式MS-3（d）对滚式（滚动摩擦）MM-200

利用铁谱技术可以将金属磨屑从润滑剂中分离出来图6－291/28/2024一、减轻粘着磨损的主要措施（1）合理选择摩擦副材料（晶格类型差异大，粘着倾向小）（2）避免或阻止两摩擦副间直接接触，增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力，降低接触表面粗糙度。（3）采用表面处理工艺，形成硬化层第四节提高材料耐磨性的途径

1/28/2024二、减轻磨粒磨损的主要措施（1）提高表层硬度，淬火得马氏体组织；（2）大冲击载荷时采用表硬心韧的贝氏体组织（3）提高合金钢中碳化物体积分数和保持适当比例残余奥氏体（4）防尘过滤润滑油（5）摩擦副材料硬度应满足Hm＝1.3Ha，Ha为磨粒硬度（6）选择单相奥氏体钢ZGMn13。1/28/2024三、提高接触疲劳抗力的措施（1）采用真空电弧冶炼和电渣重熔技术提供优质纯净的材料，或保持适量塑性硫化物夹杂。（2）含碳量C＝0.4-0.5%

（3）使碳化物球化（4）硬化层厚度或t≥3.15b，3≤m≤20，m齿轮模数，b接触面宽度（5）合理选择表面硬化层，保持残余压应力（6）改善配对副的表面状态，降低表面粗糙度和摩擦系数1/28/2024第一节、高温蠕变性能

所谓蠕变：就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。一、蠕变曲线

Ⅰ减速蠕变阶段（过渡蠕变）加工硬化－位错密度增加，形成亚结构

Ⅱ恒速蠕变阶段（稳态蠕变）加工硬化与回复软化的平衡－位错结构不变

Ⅲ加速蠕变阶段（失稳蠕变）空洞、微裂纹的形核，长大abcd温度t＝常数应力σ＝常数δ`图7－1典型的蠕变曲线伸长率δ

时间τ

OⅠⅡⅢ第七章材料的高温力学性能1/28/2024二、蠕变变形及断裂机理

1．蠕变变形（1）位错滑移蠕变机理：

在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断地产生。位错热激活的方式有多种，比如螺位错的交滑移、刃位错的攀移、带割阶位错的攀移、带割阶位错的运动等。高温下的热激活过程主要是刃位错的攀移。1/28/2024（2）扩散蠕变机理：原子和空位可以发生热激活扩散，在外力作用下原子将由高势能位向低势能位定向扩散：体扩散和晶界扩散。扩散蠕变是在较高温度(约比温度大大超过0.5)下的一种蠕变变形机理。它是在高温条件下大量原子和空位的定向移动造成的。但当金属两端有拉应力作用时，图7－4承受拉应力的晶界(如A、B晶界)空位浓度增加；承受压应力的晶界(如C、D晶界)空位浓度减少，因而在晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使晶体逐渐产生蠕变伸长，称为扩散蠕变。1/28/2024（3）晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的，后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。1/28/20242．蠕变断裂机理晶间断裂：高温作用下，晶体和晶界的强度均降低，但后者的速率更快。导致裂纹萌生、扩展、断裂。蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。（1）晶界滑动和应力集中模型：晶粒交界夹杂物处开裂形成锲形孔洞，引起应力集中。裂纹成核于三晶粒交会处，在高应力和较低温度下，在晶粒交会处由于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。图7－51/28/2024（2）空位聚集模型：这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶（如经二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上迁移。当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹。图7－91/28/2024三、蠕变性能指标

1.蠕变极限：（1）在给定温度下，使试样在蠕变第二阶级产生规定稳态蠕变速率的最大应力。

表示在500℃下的蠕变极限为80MPa。（2）在给定温度和时间条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力。1/28/2024具体选用哪种表示法应视蠕变速率和服役时间而定。若蠕变速率大而服役时间短，可取

tέ表示法；若蠕变速率小而服役时间长，可用

tδ/τ表示法。表示材料在500℃，10000h产生1％的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。1/28/2024测定方法：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的蠕变曲线，求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，即稳态蠕变速率再绘制蠕变速率与外加应力之间曲线，结果同一温度下，蠕变速率与外加应力之间存在下列经验公式，利用线性回归法求出A和n值后，再用内插和外推法，即可求出规定蠕变速率下的外加应力，即蠕变极限。图7－111/28/20242．持久强度

持久强度是指材料在一定温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力

表示某材料在600℃下工作1000h的持久强度为200MPa断裂时间经验公式：测定方法：测定一组试样在不同应力下的断裂时间，对试验数据拟合后，求出常数A’和m后，可以外推出材料长时间的持久强度。1/28/2024图7－12图7－131/28/20243．松弛稳定性

材料在恒变形的条件下，