第五章金属疲劳PPT幻灯片课件.ppt

1、第五章 金属疲劳,Chapter Five Fatigue of Metals,1,5.1 概述(Brief Introduction) 定义(Definition),疲劳破坏指材料在低于抗拉强度的交变应力作用下,经过一定循环后所发生的突然断裂,即在断裂前没有明显的宏观塑性变形。,2,疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括： 疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）; 疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）; 疲劳实验（包括机器

2、的设计、载荷的测定、数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算） 。,3,一、交变载荷及循环应力 (Alternative loads and circulative stress),5.2 金属疲劳的基本现象与规律 (Basic phenomenon and regulation of metal fatigue),4,定义： 交变载荷： 指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。 交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为循环应力）和无规随机变动应力两种（见图5-1）。,5,6,规则变化应力（即循环应力）有： a)正方形波 b) 矩形波 c)三角形波,7,循环应力可用几个特征参量来表示，即： 最大应力m

3、ax、最小应力min 及平均应力m、应力振幅a。 a（maxmin） 2 应力比: min/max 几种常见的循环应力见图52。,8,9,10,对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅立叶变化成几种循环应力，再进行相关分析，比较复杂，所以在此不涉及。,11,二、疲劳种类及特点 (Types and characteristic of fatigue) 1、 分类(Classification),12,1）按应力状态分有： a）弯曲疲劳 b）扭转疲劳 c）拉压疲劳 d）复合疲劳,13,2）按环境分有： a）大气疲劳 b）腐蚀疲劳 c）高温疲劳 d）接触疲劳 e）热疲劳,14,3）按断裂寿命及应力高低分

4、： a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf105次 s； b）低周疲劳（高应力疲劳）Nf102105次 s,15,2、 特点(Characteristic) 与静载荷或一次冲击载荷断裂相比，疲劳断裂具有下列特点： 低应力循环延时断裂； 脆性断裂（不管是塑性还是脆性材料）； 对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感； 疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。,16,三、疲劳宏观断口形貌 (Macro-fracture morphology of fatigue) 疲劳断口形貌是研究疲劳过程和失效的重要方法之一。 典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域(见P110,图5-3)：,17,18,疲劳源（疲劳裂纹萌生的源地

5、，一般位于断口表面，常与缺陷引起的应力集中相关）； 疲劳区（疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所组成的断口区域，是测定疲劳断裂重要特征） 瞬断区（裂纹最后失稳、快速扩展所形成的断口区域）。,19,1、 疲劳源 该区最光亮（因该断面经多次摩擦挤压之故）； 疲劳源位于疲劳区的贝纹弧线凹向一侧的焦点位置； 疲劳源可以一个或多个（与应力状态有关）； 对于有数个疲劳源，可根据疲劳源的光亮度，疲劳区的大小及贝纹线的密蔬程度可以确定多个源产生的先后次序，一般源区越亮，疲劳区越大，贝纹线越密，则该源越早产生。,具体特征：,20,断口宏观特征。断口比较光滑并分布有纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶； 贝纹线是载荷变

6、动引起的，如机器的开停，而在实验室由于载荷变动较小，所以贝纹较浅而细小； 贝纹线是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，近源处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。,2、疲劳区：,21,该断口区比疲劳区粗糙，与静载的断口相似； 如脆性材料，则为结晶状断口； 如韧性材料，则中间平面应变区为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区为剪切唇； 一般在疲劳源的对侧； 瞬断区大小。若名义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区较大，反之，则瞬断区较小。,3、 瞬断区,22,(一) 疲劳曲线（Fatigue curves）,5.2 疲劳曲线及疲劳抗力 (Fatigue curves and resistance),试验表明：

7、金属疲劳曲线有两大类（如图55所示）。一类是有水平线段（即有疲劳极限）的曲线。如一般结构钢及球墨铸铁的疲劳曲线即为该类型。另一类是无水平线段（即无疲劳极限）的曲线，如有色金属，不锈钢，高强度钢的疲劳曲线则为该类型。,23,24,25,（二）疲劳极限及其测量 （Fatigue limit and measurement） 1、定义： 疲劳极限是指材料抵抗无限次应力循环而不断裂的强度指标（见图5-7）。 条件疲劳极限：是指材料抵抗有限次应力循环而不断裂的强度指标。 二者统称为疲劳强度。,26,27,2、种类 对称循环载荷是一种常规载荷，有对称弯曲、对称扭转及对称拉压等。其对应的疲劳极限称为1、1、

8、1p. 其中1是最常用的对称循环疲劳极限。,28,三、疲劳极限和静强度之间的关系 (Relationship between fatigue limit and static strength) 材料疲劳极限与其静强度有一定的关系，一般有，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。,29,结构钢 ： 1p=0.23(s+b) 1=0.27(s+b) 铸铁： 1p=0.4b 10.45b,30,铝合金： 1p=1/6b7.5MPa 11/6b7.5MPa 青铜： 1 0.21b,31,疲劳的三个过程中（裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展）以亚稳扩展最重要，对于构件中本身含有裂纹,则其亚稳扩展就更重要，同时

9、疲劳裂纹扩展的规律，对于预测疲劳寿命以及提高寿命都有重大意义。,5.3 疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值 (Propagation of fatigue crack and fatigue threshold),32,(一) 疲劳裂纹扩展曲线 (Propagation curve of fatigue crack),典型的疲劳裂纹扩展曲线如图5-8所示。,33,从图可见： 疲劳裂纹扩展速率（da/dN）随裂纹a的增加而不断增加； 当循环加载次数达到某一临界值Npc时，裂纹a趋于临界值ac，此时疲劳裂纹扩展速率（da/dN）趋于, 则裂纹失稳扩展而导致断裂； 当增加，da/dN也增大，则ac 和Npc减

10、少。,34,裂纹扩展曲线的测量常用有三种方法： 1、 三点弯曲试样（TPB） 2、 中心裂纹试样（CCT） 3、 紧凑拉伸试样（CT）,35,(二)疲劳裂纹扩展门槛值 (Threshold of fatigue crack propagation) 应用断裂力学理论可得，应力强度因子范围K为： K =Kmax Kmin =Ymax (a)1/2 Ymin (a)1/2 =Y(a)1/2 因此应用割线法，图解微分法或递增多项式法，从图58“aN”曲线可以得到如图59所示的“da/dNK”曲线。,36,37,从图59可见，该曲线可分为三阶段 区 疲劳裂纹初始扩展阶段，da/dN很小，约为10810

11、6mm/周次； 区 疲劳裂纹扩展主要阶段。da/dN105102mm/周次，且lg(da/dN)与lg(K)呈线性关系，即da/dN=c (K)n； 区 疲劳裂纹扩展最后阶段，da/dN 很大，扩展周次不多，材料便发生断裂。,38,另外从该图还可见： 当KKth时，da/dN=0,表示裂纹不扩展 只有当KKth时，da/dN0,表示裂纹才扩展 因此Kth称为疲劳裂纹扩展门槛值，单位为Mpa.m1/2 Kth和疲劳极限1均表示无限寿命的疲劳性能值。 1指无裂纹的光滑试样，而Kth则指有裂纹的试样。,39,影响疲劳裂纹扩展因素有如下几种： K（应力强度因子范围）的影响 K则da/dN 2. 应力比

12、（或平均应力m）的影响 由于压应力使裂纹闭合而不扩展，所以只研究0, m0对da/dN的影响 当0，则da/dN，Kth,（三） 疲劳裂纹扩展的影响因素（Factors of affecting fatigue crack propagation）,40,3 过载峰影响 当交变应力的振幅不恒定，而有偶然增大及过载时，则疲劳裂纹扩展缓慢或停滞一段时间，即发生过载停滞现象（原因是在交变应力正半周过载，即过载拉应力，则产生较大塑性区，并阻碍循环负半周时弹性变形的恢复，从而产生残余压应力，则裂纹尖端闭合，即K，则da/dN）,41,4 组织影响 晶粒越粗大，则Kth, da/dN(正好与屈服强度变化规

13、律相反)； 当组织中存在一定量的韧性相（如残奥，贝氏体等），则Kth, da/dN； 喷丸则Kth, da/dN（产生压应力）,42,(四) 疲劳裂纹扩展速率表达式 (Formula of fatigue crack propagation rate) 1、 Paris 公式 对于区，Paris 建立了如下经验公式： da/dN=c (K)n 式中，n、c为材料常数，n在24之间变化。,43,具体有： 铁素体珠光体：da/dN=6.910-12K3.0 奥氏体不锈钢： da/dN=5.610-12K3.25 马氏体不锈钢： da/dN=1.3510-10K2.25 注：Paris公式一般适用于

14、多周疲劳（即低应力疲劳）,44,Forman考虑了应力比和断裂韧度KIC（或KC）对da/dN的影响，具体如下： da/dNc（K）n/(1) KCK 3、综合式 根据以上的讨论，可以得到以下的综合公式： da/dNc（KKth）n/(1) KCK 从上式可见：当KKth，da/dN0，即疲劳裂纹不扩展。,2、 Forman 公式,45,当已知构件中的裂纹长度（可用无损探伤法测定）以及构件所承受的应力状态。 则可从下式： da/dNc（Ya1/2）n 来计算疲劳寿命N。 dNda/c（Ya1/2）n 当n2时，有： 当n=2时，则有： 具体例子见P.127。,（五） 疲劳裂纹扩展寿命的估算（E

15、valuation of fatigue crack propagation life）,46,5.5 疲劳过程及机理 (Fatigue process and mechanism),疲劳破坏包括裂纹萌生，亚稳扩展及失稳扩展等三个阶段，每阶段扩展过程及其机理如下：,47,一、疲劳裂纹萌生过程及其机理 (Process and mechanism of fatigue crack origin),宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成。在确定裂纹萌生期时尚无统一的裂纹长度标准。常将0.050.1mm长的裂纹作为疲劳裂纹核，对应的时间则作为裂纹萌生期。 研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的

16、局部滑移和显微开裂等引起的，主要方式有： 表面滑移带的开裂(下面要具体图示）； 第二相、夹杂物或其晶界等处的开裂； 晶界或亚晶界处的开裂。,48,图510 低碳钢在交变应力（=200MPa）下滑移带的形成过程 a) N=1105次；b) 5105次；c)15105次,49,50,图5-12 金属表面“挤出”、“侵入”，并形成裂纹,51,（二）疲劳裂纹扩展过程及其机理 (Process and mechanism of fatigue crack Propagation) 疲劳微裂纹萌生后，即进入裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，可分为两个阶段（见图513所示）。,52,图5-13 疲劳裂纹内扩展

17、的几个过程,53,第一阶段： 从个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，再沿最大切应力方向向内扩展（45）。在众多微裂纹中，只有个别裂纹会扩展到25个晶粒。da/dN很小。断口形貌特征不明显。 Laird提出塑性钝化理论（见图5-14）； Cell提出的理论是：反复移动造成高位错密度，就有高应变能，从而形成新表面（见图5-14）。,54,图5-14 疲劳裂纹扩展第一阶段的两种模型 a)塑性钝化；b)位移模型,55,2、 第二阶段： 由于晶界的阻碍作用，裂纹沿垂直拉应力方向扩展，直到最后形成剪切唇为止。da/dN较大，与da/dk曲线的第二阶段符合。电镜下，断口形貌为略弯曲并相互平行的沟槽花样，称为

18、疲劳条纹（条带）（见图515）。,56,图5-15 疲劳条带 a) 韧性条带10000； b)脆性条带6000,57,3、疲劳带形成机理 （Mechanism of fatigue bands formulation） 关于疲劳带的形成有多种机理，其中比较流行的有塑性钝化模型和再生核模型。 塑性钝化模型（见图516）,对塑性材料适合; 再生核模型, Forsyth和Ryderl（FR模型）认为疲劳扩展是断续的，通过至裂纹前方萌生为裂纹核，且长大和裂纹连接来实现裂纹扩张。（见图517）,58,图516 塑性钝化模型,59,图517 再生核模型,60,由于疲劳断裂一般是从零件表面应力集中处或材料缺

19、陷处发生的，因此影响疲劳强度因素有内因（材料成分、组织结构、表面状况）及外因（温度、介质、载荷及其加载方式等）。 具体参见P133表53 可见影响因素多而复杂。,5.6 影响疲劳强度的因素 (Effecting Factors of fatigue strength),61,一、外因（External factors） 1、载荷频率 大约在1001000Hz范围内，随着频率f的增大，1增大。而在50170Hz（3000次/min10000次/min）（大多数疲劳试验机加载的范围内），则频率f对1没什么影响。,62,2、次载锻炼 定义：低于疲劳极限的应力称为次载。 金属载低于疲劳极限（1）的应力

20、下运行一定次数后，可以提高疲劳极限，这现象也称为次载锻炼（可能是由于次载锻炼可以产生硬化和松弛应力集中）。,63,3、间隙 实际工件工作大多是非连续的（有间隙） 当1上运行，间隙会提高1 4、温度 一般规律：T降低，1增大 但对某些钢，由于时效硬化温度在200400，或耐热钢，500650之间，所以该范围内1有峰值。,64,5、平均应力和应力状态 当m0时，m增大，1减小。 不对称系数min/max增大，1增大。 6、过载损伤： 同P124裂纹扩展过载停滞现象条件 7、腐蚀介质： 对疲劳强度有害,65,二、内因（Internal factors） 1、表面状态 凡是能引起表面应力集中的（如：表

21、面粗糙度、表面材料缺陷、表面机器缺陷）均降低疲劳强度(1)。 2、构件尺寸 一般规律，尺寸增大，疲劳强度(1)减小。,66,3、表面强化 凡是能强化表面（如：喷丸增加表面压应力，表面淬火、表面化学热处理（增加表面强度）均提高疲劳强度(1)。 4、合金成分 影响比较复杂，凡是能提高钢强韧性的合金元素（如v、Cr、Mo）均可以提高疲劳寿命。,67,5、晶粒尺寸 实验得出：晶粒大小对疲劳强度的影响也存在HallPetch关系，即： 1ikd1/2 式中i位错运动摩擦阻力 d晶粒平均直径。 6、夹杂及缺陷 夹杂及缺陷（气孔、偏析、白点、过烧、过热等）降低疲劳强度(1).,68,5.7 低周疲劳(Fat

22、igue of short life),一 、概述(Brief introduction) 定义：疲劳寿命在102105次的疲劳断裂称为低周疲劳。 低周疲劳的循环应力较高，往往大于s而发生塑性变形，直到断裂，所以也称塑性疲劳或应变疲劳。 如飞机、舰船、桥梁等的断裂有时是低周疲劳造成的,69,二、特点(Characteristic) 1、应力应变之间不再呈直线关系（类似拉伸时塑性段不是直线关系），而产生回线（见图5-18）。 2、低周疲劳时，因塑变较大，不能用N曲线而改用tN曲线来描述。,70,3、疲劳源有多个； 4、低周疲劳寿命取决于塑性应变振幅，而高周疲劳寿命取决于应力振幅或应力强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损失的结果。,71,图5-18 低周疲劳应力应变曲线,72,二、低周疲劳的应变寿命（N）曲线 （N Curve of fatigue with short life） 1、tN曲线（见图5-19） S.S Manson通过对多种金属材料的低周疲劳试验得出 t3.5(b/E)Nf0.12ef0.6 Nf0.6 式中：b抗拉强度 E弹性模量 ef断裂真实伸长率 ef（100/(100)） 端面收缩率 Nf断裂寿命 t总应变振幅 等式右侧第一项为e，第二项为p。,73,图